ما هو البخار؟

تُوضّح خصائص البخار هنا، بما في ذلك قدرة البخار تحت الضغط على حمل ثم التخلي عن كميات كبيرة من الطاقة. تشمل الموضوعات جداول البخار المشبع، ونسبة الجفاف، والبخار السريع.

يمكن تحقيق فهم أفضل لخصائص البخار من خلال فهم التركيب الجزيئي والعام للمادة، وتطبيق هذه المعرفة على الجليد والماء والبخار. الجزيء هو أصغر كمية من أي عنصر أو مركب لا يزال يحتفظ بجميع الخصائص الكيميائية لذلك المركب. تتكون الجزيئات نفسها من جسيمات أصغر تُسمى الذرات، التي تُعرّف العناصر الأساسية مثل الهيدروجين والأكسجين. توفّر التوافقات المحددة للعناصر الذرية هذه المواد المركبة. أحد هذه المركبات يُمثّل بالصيغة الكيميائية H2O، وله جزيئات مكونة من ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة. السبب في أن الماء وفير جدًا على الأرض هو أن الهيدروجين والأكسجين من بين العناصر الأكثر وفرة في الكون. الكربون عنصر آخر ذو وفرة كبيرة، وهو مكون رئيسي في جميع المواد العضوية. معظم المعادن يمكن أن توجد في الحالة المادية الثلاث (صلبة، سائلة، وبخار) والتي تُسمى الطور. في حالة H2O، تُستخدم مصطلحات الجليد والماء والبخار للإشارة إلى الطور الثلاثة على التوالي. التركيب الجزيئي للجليد والماء والبخار لا يزال غير مفهوم بالكامل، لكن من المناسب اعتبار الجزيئات مرتبطة معًا بشحنات كهربائية (تُسمى الرابطة الهيدروجينية). يُحدد درجة إثارة الجزيئات الحالة الفيزيائية (أو الطور) للمادة.

يمكن لجميع الطور الثلاثة لمادة معينة أن تتعايش في حالة توازن فقط عند درجة حرارة وضغط معينين، وتُعرف هذه بالنقطة الثلاثية.

النقطة الثلاثية لـ H2O، حيث تكون الطور الثلاثة للجليد والماء والبخار في حالة توازن، تحدث عند درجة حرارة 273.16 كلفن وضغط مطلق 0.006 112 بار. هذا الضغط قريب جدًا من الفراغ المثالي. إذا تم تقليل الضغط أكثر عند هذه درجة الحرارة، فإن الجليد بدلاً من أن يذوب، يتسامى مباشرة إلى بخار.

الجليد

في الجليد، تكون الجزيئات مقفلة معًا في تركيب شبكي منظم ولا يمكنها إلا أن تهتز. في الطور الصلب، يكون حركة الجزيئات في الشبكة اهتزازًا حول موقع مرتبط متوسط حيث تكون الجزيئات على مسافة أقل من قطر جزيئي واحد. يُسبب الاستمرار في إضافة الحرارة زيادة الاهتزاز إلى حد أن بعض الجزيئات ستنفصل في النهاية عن جيرانها، ويبدأ الصلب في الذوبان إلى حالة سائلة. عند الضغط الجوي، يحدث الذوبان عند 0 درجة مئوية. ليس لتغيرات الضغط تأثير كبير على درجة حرارة الذوبان، ولأغراض عملية معظمها، يمكن اعتبار 0 درجة مئوية نقطة الذوبان. ومع ذلك، أُثبت أن نقطة ذوبان الجليد تنخفض بمقدار 0.0072 درجة مئوية لكل ضغط جوي إضافي. على سبيل المثال، سيكون ضغط 13.9 بار مطلوبًا لتقليل درجة حرارة الذوبان بمقدار 0.1 درجة مئوية. الحرارة التي تكسر الروابط الشبكية لإنتاج تغير الطور دون زيادة درجة حرارة الجليد، تُسمى حرارة الذوبان أو حرارة الانصهار. ظاهرة تغير الطور هذه قابلة للعكس عند التجمد مع إطلاق نفس كمية الحرارة إلى المحيط. معظم المواد، تنخفض كثافتها عند تغيرها من الطور الصلب إلى الطور السائل. ومع ذلك، فإن H2O استثناء لهذه القاعدة حيث تزداد كثافتها عند الذوبان، ولهذا يطفو الجليد على الماء.

الماء

في الطور السائل، تكون الجزيئات حرة في الحركة، لكنها لا تزال على مسافة أقل من قطر جزيء واحد بسبب التجاذب المتبادل، وتحدث الاصطدامات بشكل متكرر. تزيد الحرارة من اضطراب الجزيئات واصطدامها، مما يرفع درجة حرارة السائل إلى درجة حرارة الغليان. ثالوث الماء، أو ثالوث السائل، أو الحساسية الحرارية (hf) للماء هذا هو طاقة الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة الماء من نقطة أساس 0 درجة مئوية إلى درجة حرارته الحالية. في هذه الحالة المرجعية عند 0 درجة مئوية، تم تعيين ثالوث الماء بشكل تعسفي إلى الصفر. يمكن بعد ذلك تحديد ثالوث جميع الحالات الأخرى بالنسبة إلى هذه الحالة المرجعية سهلة الوصول. الحرارة الحساسية كانت المصطلح المستخدم سابقًا، لأن الحرارة المضافة إلى الماء تُحدث تغيرًا في درجة الحرارة. ومع ذلك، فإن المصطلحات المقبولة اليوم هي ثالوث السائل أو ثالوث الماء. عند الضغط الجوي (0 بار)، يغلي الماء عند 100 درجة مئوية، ويُحتاج إلى 419 كيلوجول من الطاقة لتسخين 1 كجم من الماء من 0 درجة مئوية إلى درجة حرارة الغليان 100 درجة مئوية. من هذه الأرقام اشتقاق قيمة السعة الحرارية النوعية للماء (Cp) البالغة 4.19 كيلوجول/كجم درجة مئوية لمعظم الحسابات بين 0 و100 درجة مئوية.

البخار

مع ارتفاع درجة الحرارة واقتراب الماء من حالة الغليان، تكتسب بعض الجزيئات طاقة حركية كافية للوصول إلى سرعات تسمح لها بالهروب لحظيًا من السائل إلى الفضاء فوق السطح، قبل أن تعود إلى السائل. يُسبب التسخين المتكرر إثارة أكبر وزيادة عدد الجزيئات التي لديها طاقة كافية لمغادرة السائل. عند تسخين الماء إلى نقطة غليانه، تتكون فقاعات بخار بداخله وترتفع لتخترق السطح. بالنظر إلى التركيب الجزيئي للسوائل والأبخرة، من المنطقي أن تكون كثافة البخار أقل بكثير من كثافة الماء، لأن جزيئات البخار أبعد من بعضها البعض. يمتلئ الفضاء مباشرة فوق سطح الماء بجزيئات البخار الأقل كثافة. عندما يكون عدد الجزيئات المغادرة لسطح السائل أكثر من تلك العائدة، يتبخر الماء بحرية. عند هذه النقطة يصل إلى نقطة الغليان أو درجة حرارة التشبع، حيث يشبع بطاقة الحرارة. إذا بقي الضغط ثابتًا، فإن إضافة حرارة إضافية لا تسبب ارتفاع درجة الحرارة بشكل أكبر ولكنها تُسبب تكوين بخار مشبع. درجة حرارة الماء المغلي والبخار المشبع داخل النظام نفسه متساوية، لكن طاقة الحرارة لكل وحدة كتلة أكبر بكثير في البخار. عند الضغط الجوي، تكون درجة حرارة التشبع 100 درجة مئوية. ومع ذلك، إذا تم زيادة الضغط، فسيسمح ذلك بإضافة المزيد من الحرارة وزيادة درجة الحرارة دون تغير في الطور. لذلك، فإن زيادة الضغط تزيد فعليًا من كل من ثالوث الماء ودرجة حرارة التشبع. العلاقة بين درجة حرارة التشبع والضغط تُعرف بمنحنى تشبع البخار (انظر الشكل 2.2.1).

يمكن للماء والبخار أن يتعايشا عند أي ضغط على هذا المنحنى، وكلاهما يكون عند درجة حرارة التشبع. يُعرف البخار في حالة أعلى من منحنى التشبع بالبخار المُسخّن الزائد:

• درجة الحرارة أعلى من درجة حرارة التشبع تُسمى درجة التسخين الزائد للبخار.
• الماء في حالة أسفل المنحنى يُسمى الماء تحت التشبع. إذا كان البخار قادرًا على التدفق من المرجل بنفس المعدل الذي يُنتَج به، فإن إضافة حرارة إضافية تزيد ببساطة من معدل الإنتاج. إذا تم منع البخار من مغادرة المرجل، ويتم الحفاظ على معدل إدخال الحرارة، فإن الطاقة المتدفقة إلى المرجل ستكون أكبر من الطاقة المتدفقة خارجها. تزيد هذه الطاقة الزائدة من الضغط، مما يسمح بدوره بزيادة درجة حرارة التشبع، حيث ترتبط درجة حرارة البخار المشبع بضغطه. ثالوث التبخر أو الحرارة الكامنة (hfg) هذه هي كمية الحرارة اللازمة لتغيير حالة الماء عند درجة حرارة غليانه إلى بخار. لا ينطوي على أي تغيير في درجة حرارة خليط البخار/الماء، وتُستخدم كل الطاقة لتغيير الحالة من سائل (ماء) إلى بخار (بخار مشبع). يعتمد مصطلح الحرارة الكامنة القديم علىحقيقة أنه على الرغم من إضافة الحرارة، لم يحدث تغيير في درجة الحرارة. ومع ذلك، فإن المصطلح المقبول الآن هو ثالوث التبخر. مثل تغير الطور من الجليد إلى الماء، فإن عملية التبخر قابلة للعكس أيضًا. نفس كمية الحرارة التي أنتجت البخار يُعاد إطلاقها إلى محيطها أثناء التكثيف، عندما يلتقي البخار بأي سطح عند درجة حرارة أقل. يمكن اعتبار هذا الجزء المفيد من الحرارة في البخار لأغراض التدفئة، حيث أنه ذلك الجزء من إجمالي الحرارة في البخار الذي يُستخلص عندما يتكتف البخار إلى ماء. ثالوث البخار المشبع، أو إجمالي حرارة البخار المشبع هذه هي إجمالي الطاقة في البخار المشبع، وهي ببساطة مجموع ثالوث الماء وثالوث التبخر.

يمكن الرجوع إلى ثالوث البخار (وخصائصه الأخرى) بسهولة باستخدام النتائج المُجدولة للتجارب السابقة، والمعروفة بجداول البخار.

تُسرد جداول البخار خصائص البخار عند ضغوط مختلفة. هي نتائج اختبارات فعلية أُجريت على البخار. يُظهر الجدول 2.2.1 خصائص البخار المشبع الجاف عند الضغط الجوي - 0 بار.

الجدول 2.2.1 خصائص البخار المشبع عند الضغط الجوي

مثال 2.2.1

عند الضغط الجوي (0 بار)، يغلي الماء عند 100 درجة مئوية، ويُحتاج إلى 419 كيلوجول من الطاقة لتسخين 1 كجم من الماء من 0 درجة مئوية إلى درجة حرارة التشبع 100 درجة مئوية. لذلك يكون الثالوث الخاص للماء عند 0 بار و100 درجة مئوية 419 كيلوجول/كجم، كما هو موضح في جداول البخار (انظر الجدول 2.2.2).

ومع ذلك، فإن البخار عند الضغط الجوي ذو استخدام عملي محدود. لأنه لا يمكن نقله تحت ضغطه الخاص عبر أنبوب بخار إلى نقطة الاستخدام.

ملاحظة: بسبب علاقة الضغط/الحجم للبخار، (يقل الحجم مع زيادة الضغط) يُولّد عادةً في المرجل عند ضغط لا يقل عن 7 بار. يُتيح توليد البخار عند ضغوط أعلى الحفاظ على أنابيب توزيع البخار بحجم معقول. مع زيادة ضغط البخار، تزداد كثافة البخار أيضًا. حيث أن الحجم الخاص مرتبط عكسيًا بالكثافة، فإن الحجم الخاص ينخفض مع زيادة الضغط. يُظهر الشكل 2.2.2 علاقة الحجم الخاص بالضغط. يُسلط هذا الضوء على أن أكبر تغيير في الحجم الخاص يحدث عند الضغوط المنخفضة، بينما في الطرف الأعلى من مقياس الضغط يكون هناك تغيير أقل بكثير في الحجم الخاص.

يُظهر المقتطف من جداول البخار الموضح في الجدول 2.2.2 الحجم الخاص وبيانات أخرى متعلقة بالبخار المشبع.

عند 7 بار، تكون درجة حرارة تشبع الماء 170 درجة مئوية. يُحتاج إلى مزيد من طاقة الحرارة لرفع درجة حرارته إلى نقطة التشبع عند 7 بار مقارنةً بما لو كان الماء عند الضغط الجوي. يعطي الجدول قيمة 721 كيلوجول لرفع 1 كجم من الماء من 0 درجة مئوية إلى درجة حرارة التشبع 170 درجة مئوية. طاقة الحرارة (ثالوث التبخر) التي يحتاجها الماء عند 7 بار لتحويله إلى بخار أقل فعليًا من طاقة الحرارة المطلوبة عند الضغط الجوي.这是因为 الثالوث الخاص للتبخر ينخفض مع زيادة ضغط البخار. ومع ذلك، حيث أن الحجم الخاص ينخفض أيضًا مع زيادة الضغط، فإن كمية طاقة الحرارة المنقولة في نفس الحجم تزداد فعليًا مع ضغط البخار.

الجدول 2.2.2 مقتطف من جدول البخار المشبع

البخار ذو درجة حرارة مساوية لنقطة الغليان عند ذلك الضغط يُعرف بالبخار المشبع الجاف. ومع ذلك، فإن إنتاج بخار 100% جاف في ممرجل صناعي مصمم لإنتاج بخار مشبع أمر نادرًا ما يكون ممكنًا، وعادةً ما يحتوي البخار على قطرات ماء.

في الممارسة العملية، بسبب الاضطراب والرش، وعندما تختبر فقاعات البخار سطح الماء، يحتوي فضاء البخار على خليط من قطرات الماء والبخار. البخار المنتج في أي ممرجل من نوع القوقعة (انظر الكتلة 3)، حيث يُمدّ فقط بالماء وحيث يبقى البخار على اتصال مع سطح الماء، قد يحتوي عادةً على حوالي 5% ماء بالكتلة. إذا كان محتوى الماء في البخار 5% بالكتلة، يُقال أن البخار جاف بنسبة 95% وله نسبة جفاف 0.95. ثالوث التبخر الفعلي للبخار الرطب هو حاصل ضرب نسبة الجفاف (c) وثالوث الخاص (hfg) من جداول البخار. سيكون للبخار الرطب طاقة حرارة قابلة للاستخدام أقل من البخار المشبع الجاف. لذلك: بسبب أن الحجم الخاص للماء أقل بعدة درجات من كمية البخار، فإن قطرات الماء في البخار الرطب تحتل مساحة مهملة. لذلك فإن الحجم الخاص للبخار الرطب سيكون أقل من البخار الجاف: حيث vg هو الحجم الخاص للبخار المشبع الجاف.

مثال 2.2.2

البخار عند ضغط 6 بار ونسبة جفاف 0.94 سيحتوي فقط على 94% من ثالوث التبخر للبخار المشبع الجاف عند 6 بار. تستخدم الحسابات التالية أرقامًا من جداول البخار:

مخطط طور البخار البيانات المقدمة في جداول البخار يمكن أيضًا التعبير عنها في شكل بياني. يُوضح الشكل 2.2.3 العلاقة بين الثالوث ودرجة الحرارة للحالات المختلفة للماء والبخار؛ يُعرف هذا بمخطط الطور.

عند تسخين الماء من 0 درجة مئوية إلى درجة حرارة التشبع، تتبع حالته خط الماء المشبع حتى يحصل على جميع الثالوث السائل، hf، (أ - ب).

إذا استمرت إضافة الحرارة، يتغير الماء من طور إلى خليط ماء/بخار ويستمر في زيادة الثالوث مع البقاء عند درجة حرارة التشبع، hfg، (ب - ج). مع زيادة خليط الماء/البخار في الجفاف، تنتقل حالته من خط السائل المشبع إلى خط البخار المشبع. لذلك عند نقطة منتصف المسافة تمامًا بين هاتين الحالتين، تكون نسبة الجفاف (c) 0.5. وبالمثل، على خط البخار المشبع، يكون البخار جافًا بنسبة 100%. بمجرد حصوله على جميع ثالوث التبخر، يصل إلى خط البخار المشبع. إذا استمر في التسخين بعد هذه النقطة، يبقى الضغط ثابتًا لكن درجة حرارة البخار ستبدأ في الارتفاع مع إعطاء التسخين الزائد (ج - د). تحتوي خطوط الماء المشبع والبخار المشبع منطقة يوجد فيها خليط ماء/بخار - بخار رطب. في المنطقة على يسار خط الماء المشبع يوجد ماء فقط، وفي المنطقة على يمين خط البخار المشبع يوجد بخار مُسخّن زائد فقط. النقطة التي تتلاقى فيها خطوط الماء المشبع والبخار المشبع تُعرف بالنقطة الحرجة. مع ارتفاع الضغط نحو النقطة الحرجة، ينخفض ثالوث التبخر، حتى يصبح صفرًا عند النقطة الحرجة. هذا يشير إلى أن الماء يتحول مباشرة إلى بخار مشبع عند النقطة الحرجة. أعلى النقطة الحرجة يمكن اعتبار البخار غازًا. الحالة الغازية هي الحالة الأكثر انتشارًا حيث تتمتع الجزيئات بحركة غير مقيدة تقريبًا، والحجم يزداد بلا حدود مع انخفاض الضغط. النقطة الحرجة هي أعلى درجة حرارة يمكن أن يوجد فيها الماء. أي انضغاط عند درجة حرارة ثابتة أعلى من النقطة الحرجة لن يُحدث تغيرًا في الطور. الانضغاط عند درجة حرارة ثابتة أقل من النقطة الحرجة، ومع ذلك، سيؤدي إلى تسييل البخار حيث ينتقل من منطقة البخار المُسخّن الزائد إلى منطقة البخار الرطب. تحدث النقطة الحرجة عند 374.15 درجة مئوية و221.2 بار للبخار. أعلى هذا الضغط يُسمى البخار ما فوق الحرج ولا ينطبق عليه نقطة غليان محددة.

يُستخدم مصطلح ‘البخار السريع’ تقليديًا لوصف البخار المنبعث من فتحات التهوية لأوعية استقبال المكثف وخطوط تفريغ المكثف المفتوحة من مصائد البخار. كيف يمكن تكوين بخار من ماء دون إضافة حرارة؟

يحدث البخار السريع كلما سُمح للماء عند ضغط عالٍ (ودرجة حرارة أعلى من درجة حرارة التشبع للسائل منخفض الضغط) بالانخفاض إلى ضغط أقل. بالعكس، إذا كانت درجة حرارة الماء عالي الضغط أقل من درجة حرارة التشبع عند الضغط الأقل، لا يمكن تكوين بخار سريع. في حالة مرور المكثف عبر مصيدة البخار، عادةً ما تكون درجة حرارة أعلى بما يكفي لتكوين بخار سريع. انظر الشكل 2.2.4.

لنأخذ كيلوجرامًا واحدًا من المكثف عند 5 بار ودرجة حرارة تشبع 159 درجة مئوية يمر عبر مصيدة بخار إلى ضغط أقل 0 بار. كمية الطاقة في كيلوجرام واحد من المكثف عند درجة حرارة التشبع عند 5 بار هي 671 كيلوجول. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية، يجب أن تساوي كمية الطاقة الموجودة في السائل على الجانب منخفض الضغط من مصيدة البخار تلك الموجودة على الجانب عالي الضغط، وتشكل مبدأ حفظ الطاقة.

وبالتالي، فإن الحرارة الموجودة في كيلوجرام واحد من السائل منخفض الضغط هي أيضًا 671 كيلوجول. ومع ذلك، فإن الماء عند 0 بار لا يحتوي إلا على 419 كيلوجول من الحرارة، لذلك يبدو أن هناك اختلالًا في الحرارة على الجانب منخفض الضغط يبلغ 671 - 419 = 252 كيلوجول، والذي من حيث الماء، يمكن اعتباره حرارة زائدة. تغلي هذه الحرارة الزائدة بعض المكثف إلى ما يُعرف بالبخار السريع وتُسمى عملية الغليان التوهج. لذلك، فإن الكيلوجرام الواحد من المكثف الذي كان موجودًا ككيلوجرام واحد من الماء السائل على الجانب عالي الضغط من مصيدة البخار موجود الآن جزئيًا ككل من الماء والبخار على الجانب منخفض الضغط. يمكن تحديد كمية البخار السريع المنتجة عند الضغط النهائي (P2) باستخدام المعادلة 2.2.5:

مثال 2.2.3

الحالة التي تكون فيها درجة حرارة المكثف عالي الضغط أعلى من درجة حرارة تشبع الضغط المنخفض. لنأخذ كمية من الماء عند ضغط 5 بار، تحتوي على 671 كيلوجول/كجم من طاقة الحرارة عند درجة حرارة التشبع 159 درجة مئوية. إذا تم تقليل الضغط بعد ذلك إلى الضغط الجوي (0 بار)، لن يتمكن الماء من الوجود إلا عند 100 درجة مئوية ويحتوي على 419 كيلوجول/كجم من طاقة الحرارة. هذا الفرق من 671 - 419 = 252 كيلوجول/كجم من طاقة الحرارة، سيُنتج بخار سريع عند الضغط الجوي.

يمكن التفكير في نسبة البخار السريع المنتج على أنها نسبة الطاقة الزائدة إلى ثالوث التبخر عند الضغط النهائي.

مثال 2.2.4

الحالة التي تكون فيها درجة حرارة المكثف عالي الضغط أقل من درجة حرارة تشبع الضغط المنخفض. ****لنأخذ نفس الشروط كما في مثال 2.2.3، باستثناء أن درجة حرارة المكثف عالي الضغط عند 90 درجة مئوية، أي مبرّدة تحت درجة حرارة تشبع الغلاف الجوي البالغة 100 درجة مئوية. ملاحظة: ليس من العملي عادةً أن يكون هناك انخفاض كبير في درجة حرارة المكثف من درجة حرارة التشبع (في هذه الحالة من 159 إلى 90 درجة مئوية)؛ يتم استخدامه ببساطة لتوضيح النقطة حول عدم إنتاج البخار السريع في هذه الظروف. في هذه الحالة، سيُظهر جدول الماء تحت التشبع أن الثالوث السائل لكيلوجرام واحد من المكثف عند 5 بار و90 درجة مئوية هو 377 كيلوجول. حيث أن هذا الثالوث أقل من ثالوث كيلوجرام واحد من الماء المشبع عند الضغط الجوي (419 كيلوجول)، لا توجد حرارة زائدة متاحة لإنتاج بخار سريع. ببساطة يمر المكثف عبر المصيدة ويظل في حالة سائلة عند نفس درجة الحرارة ولكن بضغط أقل، ضغط الغلاف الجوي في هذه الحالة. انظر الشكل 2.2.5.

ضغط بخار الماء عند 90 درجة مئوية هو 0.7 بار مطلق. إذا كان ضغط المكثف الأقل أقل من ذلك، لكان تم إنتاج بخار سريع.

مبدأ حفظ الطاقة والكتلة بين حالتين عمليتين

تسمح مبادئ حفظ الطاقة والكتلة بالنظر إلى ظاهرة البخار السريع من اتجاه مختلف.

لنأخذ الشروط في مثال 2.2.3. 1 كجم من المكثف عند 5 بار و159 درجة مئوية يُنتج 0.112 كجم من البخار السريع عند الضغط الجوي. يمكن توضيح هذا مخططياً في الشكل 2.2.6. تظل الكتلة الكلية للبخار السريع والمكثف عند 1 كجم.

ينص مبدأ حفظ الطاقة على أن إجمالي الطاقة في الحالة منخفضة الضغط يجب أن يساوي إجمالي الطاقة في الحالة عالية الضغط. لذلك، فإن كمية الحرارة في البخار السريع والمكثف يجب أن تساوي تلك الموجودة في المكثف الأولي البالغ 671 كيلوجول.

تعطي جداول البخار المعلومات التالية:

لذلك، وفقًا لجداول البخار، فإن الثالوث المتوقع في الحالة منخفضة الضغط هو نفسه الموجود في الحالة عالية الضغط، مما يثبت مبدأ حفظ الطاقة.