This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
لعالمين الحمد هللا الذي له الحمد كله وله الفضل كله وله الخلق واالمر كله الحم دالحمد هللا رب
ين الذي بعث هالرسول اال)(يعلم وصالة اهللا وسالمه على من الرسول من بعده محمد بن عبد اهللا هللا الذي أنزل كتابه المبين هداية للعالمين ونور للمؤمنين الحمد هللا الذي علم بالقلم علم االنسان م الم .اهللا بالحق وعلى آله وصحبه ومن سار على نهجه
فقد وفقنا في إنجاز هذا الكتاب الموسوم لتلبية حاجات طلب ة"أساسيات داينميك الحرار"وبعدكليات الهندسة النه يتماشى مع مفردات المنهج المقررة لمتطلبات الدراسة الهندسية وباألخص الهندسة
.الميكانيكية
المصادر باللغة االنكليزية التي تعد لطلبتنا لغة يصعب اتقانها من دون ممارسة ولفترة طويلةإن
الطلبة للمادةلذلك نرى من الضروري تأليف كتب منهجية تتناسب مع المفردات لزيادة قابلية استيعاب هذه المصادر ليست مؤلفة لتناسب مفردات المناهج المقررة حتى لو ترجمت إلى اللغة العربيةبع .العلمية واختصار الوقت والجهد المطلوب لذلك مع بقاء الكتب االجنبية مصادر مساعدة
من هنا جاء هذا الكتاب ليسهم في حركة نقل العلوم الهندسية بلغتنا الحبيب ة وليه يء لطلبتن ارض مب سطيك الح رارة ف ي عاالعزاء مادة غزيرة سهلة القراءة والفهم عن أساسيات علم داينم
.وواضح
:وتشمل المواضيع التاليةفصول بحسب المنهج المقرر) )10يتضمن الكتاب
الق انون خواص الغ ازات الطاقة دورات الق درلداينمياالول الوحدات والتعاريف األساسية الضغط ودرجة الحرارة القانون الث اني ل داينميك الح رارة االنظمة المفتوحة ة الحرارة(S1)م سألة محلول ة وبوح دات))307بإن هذه الفصول دعمتئط الغازيةاالنتروبي والخ
لكي يتمرس الطالب ذهني عل ى))257لتوضيح المواضيع النظرية وكيفية استعمال معادلة رياضية كما يحتوي على اجوبة اض يةمسألة وردت في امتحانات السنوات الم))151كيفية حل هذه المسائل
لتغطي الجوانب كافة المتعلقة بالمواضيع المنهجية المقررة يستحسن ان يحلها الطالب بنفسه كي تك ون .عون له في تعرف طبيعة هذه المواضيع وفهمها من خالل الممارسة والتدريب
ه ذا الكت ابأبدى مالحظاته علىناني لكل منموأود هنا ان اتقدم بجزيل شكري وتقديري و :لذكر االساتذة االجالءوأخص با
الميكانيكية كلي ة الهندس ة...1 رئيس قسم الهندس ة – مهندس منذر اسماعيل علي الدروبي
. مقيم علمي– جامعة بغداد
مق يم...عميد .2 معاون عميد كلية الهندسة الع سكرية مهندس قتيبة جميل مهدي الخشالي .علمي
.جزا اهللا المؤلف كل خير وسدد خطاه لخدمة العلم ومريديه.5
لقد جاء تأليف هذا الكتاب بنا على توصية مجلس قسم هندسية المك ائن والمع دات المقترن ة مك18بمصادقة السيد رئيس الجامعة بكتابه المرقم وبعد إنج ازه. 20/4/1999في /3/239ه
عل ى طبع ه ب رقم/الرقابة/حصلت موافقة وزارة الثقافة واالعالموتقييمه اإليجابي المسوداتواعتبر ضمن الكتب المنهجية التي ستوزع على الطلب ة. 11/10/2000النافذة بتاريخ847اإلجازة
قسم هندسة المكائن والمعدات الموجهة إلى اللجنة الجامعية للشؤون العلمية بتاريخ رئيسحسب مذكر 16/10/2000.باتك هدامتعا ررقتو"يجهنم"ة نجللا ةيصوت ىلع انب ةرارحلا كيمانيد عوضومل
. 30/10/2000في/609الجامعية للشؤون العلمية واالمر الجامعي المرقم ت م
ونرحب بأي نقد بناء أو مقترح او مالحظة تسهم في إغناء هذا وفي الختام نعتذر عن كل هفوة . ذي أمل ان يعود بفائدة كبيرة على الطالب عند دراسته للتطبيقات الهندسيةالكتاب ال
واهللا ولي التوفيق . وآخر دعوانا أن الحمد هللا رب العالمين
رحيم جوي محي...
رئيس فرع هندسة السيارات
قسم هندسة المكائن والمعدات
ة التكنولوجي الجام
-2003أيلو
∗
التصحيحات المقترحة أضي : المالحظة التالوبعد اجرا
.يعتبر الكتاب وافي لمتطلبات منهج ديناميك الحرارة والمانع من اعتماد
............................................................................ 52خلفية تأريخي– 3.4.1 ............................................................... 53العالقة بين الحرارة والشغ-3.4.2
........................................................... 54اشارة ووحدات الحرارة والشغ-3.4.3
..................................................................... 161شغل أو طاقة الجريا-6.2.2 .......................................................... 163معادلة الطاقة في االنظمة المفتوح-6.3
................................................ 165تطبيقات القانون االول على االنظمة المفتوح-6.4
................................................................. 326الجزيء الغرامي او المو-10.4 .................................................................... 327فرضية وعدد افوكادر-10.5
Introduction to Thermodynamicsمقدمة إلى ديناميك الحرار
ال ذي ي شملالث ر)الثرمودينامك(علم ديناميك الخرارةمع بدايات القرن التاسع عشر ظهراالحصائي ثم ديناميك الحرارة الهندسي الذي يهمنا في الكيميائي او الفيزيائي العاديناميك الحرار
الهندس ة الحراري ة الن ه يه ت
: بما يأتي
وتحوالتهما من شكل آلخر أي التحول المتبادل بين الطاقة)الحرارة والشغل(دراسة الطاقة.1 التوربينات الغازي ة اوالحرارية والميكانيكية الذي يحدث مثال في المحركات الحر رية
ي ف بأس تعمال الطاق ةتاطة أجه زة االخ وكذلك انتقال الحرارة بوس.…البخارية .الميكانيكية
يسخن أو(Fluid)دراسة التغيرات في خواص او سلوك المائع.2 عندما ينضغط أو يتمدد
أو س ائال أو)الم اءمثل بخ ار(أو بخار)مثل الهواء(وقد يكون المائع غاز.يبرديئايميك اهضعب عم لعافتتال نأ ةطيرش داوملا هذه نم طيلخ.
.دراسة العالقة بين تغير خواص المائع وكميات الشغل والحرارة المسببة لهذا التغير.3
وجديستند هذا العلم الى أربعة مبادئ أو قوانين أساسية الرياضي بالتجربة وليس باالشتقاق :لقوانين هيهذه ا
:القانون الصفري.1 الح رارة وهو قانون التوازن الحراري الذي بموجبه يتم تعريف درجة .سمي بالصفري الن صياغته جاءت بعد صياغة القانون االول
.وهو صيغة خاصة من صيغ قانون حفظ الطاقة:القانون االول.2
أي اتج:القانون الثاني.3 ه انتقال الطاقة ونسبة تحوي ل الطاق ةيحدد اتجاه سير العمليات .المتنقلة
.يحدد االنتروبي ويبين استحالة الوصول لدرجة الصفر المطلق:القانون الثالث.4
لذلك يستعمل مهندسو الميكانيك هذا العلم بتصميم المحركات الحرارية كمحطات تولي د الطاق ة التوربينات مراجل البخارالمحركات الترددية والنفاثة والصواريخ الضواغالغازية والبخارية
هنا اصبح من الضروري للمهندس الميكانيكي أن يلم بقوانين هذا العلم ويتفهم.اجهزة التكييف وغيرها
.أسسه
صفتوف ي م.لقد كان تحويل الشغل الميكانيكي إلى حرارة معروف منذ القرن الثامن عشر العالقة بين الشغل الميكانيكي والطاقة الحراري ة وق د (Joule)جولالقرن التاسع عشر اوجد العال
كاء في تطوير هذا العلم أمثال كارأسهم الكثير من العلم ومن ذ الق رنفن كلوزيو وغي رهم .الماضي توسع هذا العلم بحيث شمل جميع المكائن الحرارية وأجهزة التكييف
Introduction to Thermodynamicsمقدمة لى ديناميك لحر ر
ال ذي ي شملالث ر)الثرمودينامك(علم ديناميك الخرارةمع بدايات القرن التاسع عشر ظهراالحصائي ثم ديناميك الحرارة الهندسي الذي يهمنا في الكيميائي او الفيزيائي العاديناميك الحرار
الهندس ة الحراري ة الن ه يه ت
: بما يأتي
وتحوالتهما من شكل آلخر أي التحول المتبادل بين الطاقة)الحرارة والشغل(دراسة الطاقة.1 التوربينات الغازي ة اوالحرارية والميكانيكية الذي يحدث مثال في المحركات الحر رية
ي ف بأس تعمال الطاق ةتاطة أجه زة االخ وكذلك انتقال الحرارة بوس.…البخارية .الميكانيكية
يسخن أو(Fluid)دراسة التغيرات في خواص او سلوك المائع.2 عندما ينضغط أو يتمدد
أو س ائال أو)الم اءمثل بخ ار(أو بخار)مثل الهواء(وقد يكون المائع غاز.يبرديئايميك اهضعب عم لعافتتال نأ ةطيرش داوملا هذه نم طيلخ.
.دراسة العالقة بين تغير خواص المائع وكميات الشغل والحرارة المسببة لهذا التغير.3
وجديستند هذا العلم الى أربعة مبادئ أو قوانين أساسية الرياضي بالتجربة وليس باالشتقاق :لقوانين هيهذه ا
:القانون الصفري.1 الح رارة وهو قانون التوازن الحراري الذي بموجبه يتم تعريف درجة .سمي بالصفري الن صياغته جاءت بعد صياغة القانون االول
.وهو صيغة خاصة من صيغ قانون حفظ الطاقة:القانون االول.2
أي اتج:القانون الثاني.3 ه انتقال الطاقة ونسبة تحوي ل الطاق ةيحدد اتجاه سير العمليات .المتنقلة
.يحدد االنتروبي ويبين استحالة الوصول لدرجة الصفر المطلق:القانون الثالث.4
لذلك يستعمل مهندسو الميكانيك هذا العلم بتصميم المحركات الحرارية كمحطات تولي د الطاق ة التوربينات مراجل البخارالمحركات الترددية والنفاثة والصواريخ الضواغالغازية والبخارية
هنا اصبح من الضروري للمهندس الميكانيكي أن يلم بقوانين هذا العلم ويتفهم.اجهزة التكييف وغيرها
.أسسه
صفتوف ي م.لقد كان تحويل الشغل الميكانيكي إلى حرارة معروف منذ القرن الثامن عشر العالقة بين الشغل الميكانيكي والطاقة الحراري ة وق د (Joule)جولالقرن التاسع عشر اوجد العال
كاء في تطوير هذا العلم أمثال كارأسهم الكثير من العلم ومن ذ الق رنفن كلوزيو وغي رهم .الماضي توسع هذا العلم بحيث شمل جميع المكائن الحرارية وأجهزة التكييف
Dimensions, Units & Symbolsاالبعاد والوحدات والرموز-)1.1(
وهذه االلفاظ كثير م ا.لكل علم مصطلحات تعبر عن المعاني الدقيقة المختلفة التي تختص به ومن هنا سميت بالمصطلحات لرموز ف أناما .يختلف معناها االصطالحي عن معناها اللغوي العام
او(Properties)لكل علم مجموعة من الرموز تستعمل للداللة على كميات او متغيرات او خ واص وقد بات كثير من هذه الرموز العلمية شائع ومشترك بين مختلف اللغات في. مختلفة(Units)وحدات
بحيث اتخذ صفة عالمية تستلزم األبقاء عليه وعدم ترجمته .الدول المتقدمة
اما الوحدة فأنها تحدد القيم ة.يمكن مالحظة االبعاد او الكميات الطبيعية او المقادير الفيزياويةوج دول رق م.فمثال الزمن هو البعد اما الثانية او الدقيقة او الساعة فهي الوح د.العددية لهذا البع
.يوضح هذه االبعاد ووحداتها في النظام العالمي للوحدا)1.1(
االبعاد والوحدات والرمو))1.1جدو
الوحد )الكميات الفيزياوي(االبعاد
الحرف الرمز االس الحرف الرمز االسم
SIالتعبير في
s sالثاني tالزمن
L10اللتر Vالحجم-3
m3
kgkgالكيلوغرام mالكتلة
Nkg.m/sالنيوتن Fالقوة2
Pa N/mالباسكال Pالضغط2
J N.mالجول Eالطاقة
WJ/sالوات Pالقدرة
J N.mالجول Wالشغل
J N.mالجول Qالحرارة
International System of Unitsالنظام العالمي للوحدات-)1.2(
بعدئذ.أقر المؤتمر العام الحادي عشر للمعايير واالوزان استعمال هذا النظا))1960في عامان الحاجة الى لغة عالمية للوحدات جعلت.يئات الدولية واكثرية دول العالنال تباع إعتراف جميع اله
يتصف بكون ه نظ ام.(SI)المنظمة العالمية للقياسات توصي بأستعمال هذا النظام الذي يرمز له ب
وحدات اساسية ووحدتين مكملة او مساعدة والموضحة في جدول رق م))7يتكون النظام من المركبة ).1.2( ومن مميزات هذا النظام انه يمكن اشتقاق وحدات أخرى تسمى بالوحدات المشتقة او
وذلك من خالل عمليات ضرب او سمةتشتق من الوحدات االساسية نحتاج اليها في العلوم الهندسية
رقم
شكل
الوحدات
شجرة
في
موضح
وكما
االساسية
للوحدات)1.1(
رقم
جدول
او )1.3.(
الذي يعرف بأنه القوة التي تعجل كتلة كيلو غ رام واح د(N)فمثال وحدة القوة هي النيوتن(kg)ةيناث عبرم لكل دحاو رتم (m/s
2(N = kg.m/sفتصبح وحدة الق وة.(
2 ووح دة ال شغل(
(N.m)…لا.لو جلا لغش لا ةد حو الث مف وقد تختصر الوحدات المشتقة بم صطلح ب سيط
فم ثال(British Units).وهناك نظام آخر للوحدات قليل االستعمال هو النظام البريط اني الكيل و غ رام (SI)يقابله في نظام (Lbm)ورمزها(Pound – mass)نظاموحدة الكتلة في هذا ال
الكتلي(Kilogram – mass)
ورمزه (kg.m).
الباون د
ه و
البريطاني
النظام
في
القوة
وحدة
اما كم ا (N)النيوتن(SI)يقابله في نظام. (Lbf)ورمزه(Pound – Force)الثقلي ووحدات اخرى ).)1.3في جدول
كما توضح جداول(SI)دة الكميات في نظامان وح يقابلها وحدة كميات في النظام البريطانييبين بع ض الوح دات)1.4(وجدول.الذي يبين وحدات بعض الكميات في النظامين)1.3( )1.2(
كما يمكن تحويل هذه الوحدات من نظام آلخر بموجب معامل التحويل المبينة ف ي ج دول.البريطانية . أو بموجب الحسابات لألمثلة التي سترد الحق)1.5(
Fundamental Concepts & Definitionsتعاريف ومفاهيم اساسية-)1.3(
Thermodynamic Systemالنظام الثرموديناميكي-)1.3.1(
ي راد(envelope)دة وثابتة من المادة داخل حيز محدود محاط ة بغ الفهو كمية محدو
سلوكه
دراسة.
مثالي
او
حقيقي
النظام
يكون
قد.
بمك بس
مح صور
كغاز
المادة
من
كمية
هو
الحقيقي وهو غي ر موج ود ف ي.داخل اسطوانة اما الثاني فهو نظام نظري لتسهيل المسائل الثرموديناميكة أي نظام .افتراضالطبيعة
النظا-))1.3شك
كم ا(Boundary)يحاط النظام بحدود قد تكون حقيقية ثابتة كجدران االسطوانة والمكبس او انضغاط او تم دد).)1.3في الشكل او قد تكون الحدود وهمية متغيرة كالدخان المتحرك في الجو
حيث ينتقل الشغل والحرارة عبر الحدود .كمية من الغاز
له تأثير مباش ر ف ي س لوك(Surroundings)ا يقع خارج حدود النظام هو المحيطوكل م وبالتالي قد يتأثر بالتغيرات الحاصلة داخل النظا النه يتبادل الطاقة معه ربما يشكل المح يط.النظام
.نفسه نظام آخر
ح يط او الوس طلحدود النظام خواص معينة تسمح او ال تسمح بتبادل الطاقة او المادة مع الم. وهو الحيز المحيط بالنظام والذي يتأثر بالتغيرات التي تتم داخل النظ ا(Surroundings)المحيط
:تصنف االنظمة الى االنواع اآلتي))1.4لذلك وكما مبين في الشكل
(Closed Systemغير معزو(النظام المغلق - أ
لذلك ي سمىهو النظام الذي ال تسمح حدوده بأنتقال المادة داخل أي تبقى الكتلة ثابتة النظام كغاز محصور بمكبس)شغل او حرار(ولكن يتم انتقال الطاقة.بنظام الكتلة المحدد عبر الحدود فقط
.او كالمرجل البخاري في اثناء فترة بداية التشغيل للحصول على ضغط معين للبخا.داخل اسطوانة
لكون ه ال يت أثر تباث هيف ةقاطلا عومجم ىقبي يأ ال تسمح حدوده بأنتقال المادة او الطاقة .مثال الترمس الموضوع بداخله ماء بارد او ساخ.بالوسط المحيط
Open Systemالنظام المفتوح-ج
ي سمى.بعملية جريانية)غل او حرار(هو النظام الذي تسمح حدوده بأنتقال المادة والطاقة كالماء في المرجل حيث يمتص حرارة ويفقد جزء من كتلته خالل التبخر خليط.بنظام الحجم المحدد
ان المادة.الغازات في اسطوانة محرك احتراق داخلي يتخلص من الحرارة والغازات من خالل العاد اما الطا .قة فتنتقل عبر الحدويمكن ان تدخل او تخرج من خالل فتحات
اذا كانت الكتلة بوحدة الزمن الداخلة والخارجة متساوية فإنها تبقى ثابتة وتسمى بعملية الجريان .المستقر كما في التوربين او ضاغط الهواء
انظمة اخر-دوهناك انظمة اخرى كالنظام االديباتي الذي تنتقل فيه الكتلة والطاقة ما عدا الطاقة الحراري ة
وهناك انظمة نصف مفتوحة تسمح بدخول او.تكون قيمتها صفر مثل التوربين البخاري المعزول التا .خروج الكتلة فقط مثل قنينة الغاز
مثال ذلك.في بعض االحيان تكون المنظومة مغلقة في لحظة معينة ومفتوحة في لحظة اخرى وق د(Total System)تكون المنظومة الكلية.اسطوانة محرك احتراق داخلي عادة كبيرة ومعق دة
مثال ذلك محطة القدرة الكهربائية المغلقة الت ي.يمكن تجزئتها ومن ثم جمع أجزاء المنظومة المجزأ
وتحسب بحاصل وحدة.ضرب الطول في العرضأن مساحة الجسم هي الجزء المكشوف منها)mالمساحة
وعندما يك ون)2 تمث ل قط ر))Dوفي حالة السطوح الدائرية كمساحة سطح المكبس
المساحة
فان
الدائرة)A(
تساوي:
)1.1(4
DA
2
⋅=
)Volume(الحجم-)1.3.3(
ف يهو مقدار مايشغله من حيز ويساوي حاص ل ض رب م ساحته)او المادة(حجم الجسم)mوحدة الحجم هي.ارتفاعه
1 Liter = 1dm(او اللتر) 33
=10-3
mوتظهر أهميته مثال عن د). 3
أو بمعنى اخر عند قياس الحيز الذي يشغله المكبس أثناء قياس إزاحة المكبس داخل اسطوانة المحرك داخل االسطوانة فأن)(Aتمثل طول الشوط وأن))Lفأذا كان.تحركه خالل احد االشواط المساحة
:يساو))Vالحجم
32mmm
)2.1(LAV
=
⋅
وعن دما تن ضغط يق ل حجمه ام ا الحج م الن وعي.عندما تتم دد الم ادة ي زداد حجمه ا
وهي معدل حركة الجسم في خط مستقيم بحيث يثبت مقدارها في كل وحدة:المنتظمالسرعة .1
زمنية.
وح دة
ف ي
مستقيم
خط
في
منتظمة
بحركة
الجسم
يقطعها
التي
بالمسافة
تقديرها
ويمكن ة)t(و)m(يمثل الطول بوحدات المتر))Lفأذا كان.زمن ))sتمثل ال زمن بوح دات الثاني
:تساو))Cفستكون السرعة
)5.1(s
m
t
LC ⋅
⎠
⎞⎜⎝
⎛=
أي ان:السرعة المتغير .2 وهي تنشأ عندما تكون حالة الجسم متغيرة من لحظ ة ال ى أخ رىالمسافة التي يقطعها الجسم في أي وحدة زمنية التساوي نفس المسافة التي يقطعها الجسم في أي
.لهذا يحسب غالب متوسط سرعة الجس.دة زمنية اخرو
)1.3.6(- Accelerationالتعجي
m/s(ووحدته)a(رمزه.في وحدة الزم))Cوهو معدل تغير السرعة :ويساو) 2
)6.1(t
L
tt
Ca
2
tL
⋅
)7.1(t
CCa
or
21
22
aver ⋅=
واما متغير عندما يكونوتعجيل الجسم اما منتظم عندما يكون التغير في سرعة الجس مظتنم وهو كذلك أم ا موج ب التغير في سرعة الجسم غير منتظم وفي الحالة االخيرة يقاس متوسط قيمته
واما س الب القيم ة فت نقص)تسار(القيمة فيزيد سرعة الجسم المتحرك ويسمى بالتعجيل الموجب .سرعته ويسمى التباطؤ
Forceالقوة-)1.3.7(
القة بين القوة والحركة مبنية على قوانين الحركة الثالث التي وضعت من قب ل اس حقان الع
يسمتر الجسم في حالة السكون او الحركة المنتظمة على خ ط((ينص القانون االول على مايلي.نيوتن .))مستقيم اال اذا اجبر على تغيير تلك الحالة بفعل قوة خارجية
ان سيارة واقفة على طر ق افقي سوف تستمر باقية في حالة الوقوف مالم تؤثر عليها قوةفمثالفمن قانون ني وتن.ولو أن السيارة كانت تتحرك فبأستخدام المكابح ستتباطأ السيارة وتتوقف.خارجية
او يعج ل(( او يوقف جسما عن الحركة او القوة هي أي شئ يسبب تحريك جسم من السكون :ومن انواعها ه.))يبطأ او يحرف الجسم عن المسار المستقيم ويجعله يتحرك بمسار منحني
.د مثل القوى التي تجذب طرفي قضيب من الحديقوى ا ).1(
)2.(
الوقو
احتراق
عند
المكبس
على
تتولد
التي
مثل
الضغط
قوى.
.قوى الجاذبية الناتجة من جذب االرض للجس ).3(
وهي القوة التي تقاوم الحركة بين جسمين متالصقينقوة ).4( ).)Fرمز القوة.االحتكاك
Massالكلتلة-)1.3.8(
قيمتها ال).kg(و وحدتها))mرمزها.هي مقدار ما يحتويه الجسم من مادة او عدد الجزيئاتماق او على قمة جبلفكتلة جسم االنسان ثابتة عند مستوى سطح البحر او في االع.تتغير بتغير المكان
الفضاء
في
او.
أثرت
فاذا
الحركة
حر
يكون
حين
فيه
ما
قوة
تأثير
بمدى
معين
لجسم
عادة
تقاس
وهي )m(فإن كتلة ه ذا الج سم)a(على جسم ما بحيث يبدأ من السكون ليتحرك بتعجيل منتظم))Fقوة
:تساوي
)8.1(kgs / m
s / m.kg
s / m
N
a
Fm
2
2
2 ⋅
ة جسم للمحافظة على حالة السكون أو الحركة المنتظم ة ت دعى الق صور ال ذاتيوأن مح)Inertia.(سجلا ةلتك ىلع دمتعت ةيصاخلا هذه نأب دجو دقو.ةيلودلا ةدحولا)SI(و ليكلا يه ةلتكلل
)Platinum –aridum( معرفة بأنها كتلة اسطوانية مصنوعة من البالتين وااليري ديوم))kgغرام
.في فرنس) )Seversفيمحفوظة
وتسميه بعض الدول ب الطن))Megagramme) (Mgوالوحدة الكبرى للكتلة هي الميكاكرام :ويساو))tonne) (tالمتري والطن
1Mg=1t=103 kg=10
6g
االرضي-)1.3.9( Acceleration du to gravityالتعجي
رمزه قيمت ه.ة تجاذب بين االرض والجسيعبر عن قو).)gهو المثال الثابت للتعجيل الثابت
)9.88m/sثابتة عند مستوى سطح البحر وتبلغ 2
ويكون الفرق عند االنتقال من منطقة خط االستواء). 9.78m/s(أي%))5الى القطب
9.832m/s(عند خط االستواء و) 2لك ن قيمت ه.عند القطب ين).2 .ما في الفضاتنخفض كثير كلما ابتعدنا عن مركز االرض حتى تنعدم تما
يج ذب نح و مرك ز االرض بق وة الجاذبي ة عندما ي سقط ج سم م ن ارتف اع مع ين
قيمته ال تتوقف على كتلة او حجم الجسم شرط اهمال تأثير قوة أحتك اك اله واء.بالتعجيل االرضي .سم أثناء سقوطبالج
تتناسب مع كتلتة) )Wالثالث بأن قوة الجاذبية للجسم أي وزنهونلقد اثبت اسحق نيوتن في قا
الجسم)m(
يكو
وعليه :
)9.1(gmW ⋅
Weightالوزن-)1.3.10(
وإذا سقط جسم فأن. هو دالة الوزناذا وضع جسم ما على سطح معين فأن الضغط الذي يسلط هذه القوة تعم ل.قوة جذب نحو االرض دالة لوزنه فالوزن هو التعبير عن قوة جذب االرض للجسم
مركز االرض وبما ان قوة الجذب او التعجيل الرض ي تتغي ر كلم ا))gشاقولي الى االسفل باتجاه عليه فأن ق وةابتعدنا عن مركز االرض لذا فأن وزن جسم االنسان ينعدم في الفضاء النعدام الجاذبية
:يساو)W(او وزن الجسم))Fجذب االرض للجسم
)10.1(Ns / mkggmWF2 ⋅
كتلته عل ى.اليمكن عد الوزن وحدة اساسية لعدم وجود قيمة ثابتة له لنأخذ مثال رجل الفضاءلكنه سيكون في)80kg(وكتلته في الفضاء).784.8N=9.81×80(ووزنه يساوي))80kgاالرض
.قدان الوزن النعدام الجاذبية االرضيحالة ف
Momentumالزخم-)1.3.11(
سيارة تجارية ثقيلة تحتاج الى قوة دفع لتبدأ الحركة عندما تكون محملة بالكامل اكبر مم ا ه ي.واليقاف سيارة الحمل التجارية يتطلب قوة كبح اكبر من سيارة صغيرة تسير بنفس ال سرعة.فارغة
.من تلك االخاكبربأنها ذات كمية حركة او زخم)قاال(يقال للسيارة
لذلك فإن جسمين لهما نفس الكتلة ولكنهم ا يتحرك ان ب سرعتين.يعتمد الزخم على الكتلة والسرعة أيقاس زخم الجسم بحاصل ضرب .مختلفتين سيظهران زخمين مختلفين :لته في سرعته
)11.1(CmMometum ⋅
حركقانون نيوتن الثاني -ختغير ال-)1.3.12(
فاذا أثرت قوة.))يتناسب زخم الجسم طردي مع القوة المؤثر((نص قانون نيوتن الثاني على اني)F(هتلتك مسج ىلع)m(ةدمل)t(نم اهتعرس تريغو)C1(ىلا)C2(واسي مخزلا ريغت ناف:
القوة المطلوبة العطاء وحدة الكتلة وح دة التعجي ل))Fيمكن تعريف وحدة ال ت دعى.بانها نيوتن))SIالوحدة الدولية )1kg(وتعرف بأنها القوة المطلوبة العط اء كتل ة مق دارها).) Nللقوة
)1m/sتعجيال مقداره :لذل) 2
1N=1kg × 1m/s2
المطلوبة العطاء جسم كتلته))Fفأذا كانت بالنيوتن تعج يال))mهي القوة ) )aبالكيلوغرام )m/sبال
اح سب الق وة).20s(ف ي)72km/h(الى)27km/h(تتعجل بانتظام من.ط))2عربة كتلتها . ومعدل القدرة المتولدة في انتاج هذا التعجي.والشغل الكلي المنج).قوة الجذ(المطلوبة
kN250.120
5.7202000
202000
t
CCmamF 3600
10273600
107212
33
=××××
المسافة المقطوعة m275202
205.7t
2
CC)L( 21 =
⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
kJ75.34327525.1LFW =
kW187.1720
75.343
t
WP =
)1.10(
وقد سلطت الك وابح النت اج.اريد ختبار المكابح).90km/h(تسير بسرعة))1500kgعربة كتلتها :أحسب).)0.8معامل االحتكاك بين االطارات والطريق هو.باقصى ك
كالضغط والحجم ودرجة الح رارةهو تحليل خواص النظام)الماكروسكوب(التحليل البصري لنأخذ مثال محتويات اسطوانة مح رك احت راق.والتي هي خواص يمكن قياسها لتعطي وصف بصري
هي
خواص
او
احداثيات
او
مقادير
بأربعة
تتحدد
فانها
كنظام
داخلي:
.نسب معينةالتحليل الكيمياوي يبين ان الخليط قبل االحتراق هو عبارة عن هواء ووقود :التركي-1
إن الخليط وغاز العادم هي مركبات كيمياوي ة توص ف.وبعد االحتراق سيتحول الى غاز العاد .مكونات النظام
يمك ن قي اس.ضغط الغاز بعد االحتراق كبير جد ثم ينخفض في نهاية ش وط الع اد:الضغ-2 .التغيرات في الضغط بوساطة المانوميترات في المختبر
يمكن قياس التغير الحجم ي.الغاز تبع لتغير موضع المكبس داخل االسطوانةيتغير حجم:الحج-3
المكبس
مع
يربط
جهاز
بوساطة.
يمكن قياسها بسهولة كبقية:درجة الحرار-4 ال يمكن بدونها تكوين فكرة واضحة عن عمل المحركفنآ ةروكذملا صاوخلا.
:يتضح ان هذا التحليل يتميز ب
.ة بتركيب المادال يتضمن فرضيات خا - أ
.يحتاج الى بضع خواص يمكن تقديرها بالحواس او قياسها مباشرة -ب
ام ا.يستعمل التحليل البصري من قبل المهندس لدراسة المكائن الحرارية والثرموداينميك الهندسي
ل ذا
لليوراني وم
الذري
االنشطار
كتحليل
المادة
وجزيئات
ذرات
سلوك
تحليل
فهو
المجهري
بحسب مفهوم الثرموديناميك االحصائي فان النظام يتكون.تعمل في بعض دراسات الفيزياء النوويةيسالتحليللذا فأن هذا التحليل يتمي ز.من عدد ال يحصى من الجزيئات وفي حالة تفاعل وتصادم وتجاذب وتنافر
:ب
افتراض وجود الجزيئا - أ .وضع فرضيات خاصة بتركيب المادة
.جزيئات ال يمكن تقديرها بالحواس او قياسها مباشرةوصف كميات كثيرة من ا -ب
-:تتعين حالة النظام من خالل خواصه التي تتميز بما يأتي
1- معين ة أي يجب ان تكون لها قيمة عددية عندما يكون الم ائع ف ي حال ة يمكن قياس بعضها
كالضغط(P)
وا
حجم(V)
الحرارة
ودرجة (T).
رياضي
اآلخر
البعض
حساب
ويمكن)1(.
أي تعتمد على الحالة االبتدائية والنهائي-2 .قيمة الخاصية مستقلة عن االجراء للوصول الى الحالة
إن تحديد الحالة الجديدة يتطلب معرف ة م ا ال يق ل ع ن خاص يتين ت سمى باالح داثيات يعبر عنها ب لذا يمكن ايج اد قيم ة أي.(Two Property Rule)قاعدة الخاصيتينالثرموديناميكية
فمثال ان العالقة)خاصي(احداثي = [Vبداللة االحداثيين اآلخرين ∅ (P, T)]مجحلا ةميق نا ينعت ))P Tتعتمد على قيمة المتغيرين المستقلين ال فإذا تغير (P)في آن واحد ال ثابت ة (T)وبقيت
))2فإذا كان. (T)ال يشترط ان تعتمد على قيمة(P)ولكن قيمة.غير الحجعندئذ سي(dP)ريغت لثمت
الحالتين
بين
الكلي
التغير
فإن
الضغط
في
الصغر
متناهي)1(
و)2(
ه:
في االنظمة المغلقة هناك الخاصية الثرموديناميكية وفي االنظم ة المفتوح ة هن اك الخاص ية .ال عن الخاصية الميكانيكيالثرموديناميكية فض
Independent & dependent Propertiesالخواص المستقلة وغير المستقلة1.5.1
فسيتغير ال ضغط تبع ا لتغي ر أذا كانت اسطوانة تحتوي غاز مغلقة بمكبس حر الحركة فوقه
واذا أضيفت حرارة الى غاز موجود في خ ز لذلك فالضغط يعد خاصية مستقلة ان ف ستزداداالثقال لذلك تكون درجة الحرارة خاصية مستقلة أذا الخ واص الم ستقلة))Independentدرجة حرارته
كال ).T,P( اما الخواص التابعة فيمكن حسابها بداللة ال))T,Pيمكن قياسها
(U)والطاق ة الداخلي ة (H)هناك خواص ثرموديناميكية اخرى سيرد ذكرها الحق كاالنث البي)1(مركزة .الثان ناتجة عن القانون االول و(S)واالنتروبي غير غير مستقلة هذه الخواص تابعة
ال نه ال يمكن مراقبتها مباشرة بالحواس كالضغط والحجم الن وعي يضاير بسحت غير شاملة ومع ذلك فإنها خواص اساسية لهيكل الثرموديناميكس .ودرجة الحرارة
او م شتق ص حيح او كام ل)يبالنسبة للخاص( هو مشتق تام (dP)من الناحية الرياضية فإن)2(
فإن بعض الصفات تبق ىإذا اخذنا نظام في حالة وازن وقسمناه على قسمين متساويين في الكتلةثابتة لكل نصف من هذا النظام كالضغط ودرجة الحرارة والكثافة ه ذه الخ واص ت دعى بال ضمنية او
. وهي ال تعتمد على كتلة النظا(Intensive)المركزة او المؤكدة
دعىاما الخواص التي تتنصف كالحجم والطول والمساحة و فإنه ا ت الوزن والطاق ة الداخلي ة او غير المؤكدة او الشاملةبالخواص غير الضمنية او غ وهي تعتمد على كتلة(Extensive)ر المركزة
.النظام
فتسمى بالقيمة النوعي ة لتل ك وإذا قسمت الخواص الشاملة على الكتلة او على عدد موالت النظام وللقيم النوعية المناظرة لها بحروف صغيروسيرمز للخواص الشاملة .الخاصية ف إذا.الحروف الكبيرة
ولو كانت كتلة النظ ام (ν)فان الحجم النوعي يرمز له بالحرف(V)رمز للحجم الكلي للنظام بالحرف : فإ(m)هي
أي :والحجم النوعي هو مقلوب الكثافة
مقدار الكتلة المأخوذة بالحسبان فان الكثاف ةولما كانت كثافة مادة في حالة معينة ال تعتمد علىضيا زكرم رادقم يعونلا مجحلاف كلذلو .مقدار مركز
(A)على شاملة اخرى كالمساحة(F)وعند قسمة الخاصية الشاملة كالوزن ف سينتج ال ضغط .الذي هو خاصية مركزة
State Diagramمخطط الحالة-)1.6(
فمثال مخطط حالة الضغطمخطط الحالة – بين الحالة الشاملة للنظام عند تغير بعض خواصه
ويمكن رسم القيم المقابل ة له اتين.حيث يمثل الضغط المحور الصادي والحجم المحور السيني. من بعدين ومن هنا وبتطبيق قاع دة الخاص يتينأغلب المخططات تتكون.الخاصيتين على المخطط
االخرى
الخواص
قيم
حساب
يمكن
قحال
سندرسها
التي
الخواص
وجداول
وقوانين.
State, Path Functionدالة الحالة ودالة المسار-)1.7(
لذلك تسمى بدالة الحا))P V Tخواص النظام كال .تعتمد على الحالة االبتدائية والنهائية
أي يحت وي عل ى ع دد ك اف م ن لكنه محسوس دج ريغص صاوخلا هذه يف ريغتلا ناك ولو ل ذلك يع د دال ة حقيقي ة تمث ل رياض ي بتفاض ل ت ام او م ضبوط.الجزيئ ات
(dV). أوان تكامل تفاضل ت ام لدال ة الحال ة :يعطي الفرق بين قيمتي هذه الخاصية
فهما ل يس م ن (Q)او الحرارة(W)اما انتقال الشغل حتى لو كان كميات متناهية الصغر لذلك يعتمد او غير مضبوط او ن اقصخواص النظام يمثل رياضي بتفاضل غير تام ن على المسار
(Inexact Differential)يأ )dQ dW(ءار جا وا يجرا خ طاشن امه ةرارحلا وا لغشلا نأل .يؤدي الى تغيير طاقة الجسم
تمثل كمية متناهية في الصغر للحرارة والشغل وان التكامل ال يعط ي (dW)او(dQ)لذا فان أي :الفرق بين قيمتين ولكن يعطي كمية محدودة
اذا كانت خواص نظام معزل مختلفة كالضغط ودرجة الحرارة والكثافة فانها ستتغير مع ال زمن -:وخالل هذه الفترة سنالحظ اآلتي
أ -
الحر
فستنتقل
الحرارة
درجة
إختالف
تت ساوىعند
حتى
االدنى
الى
االعلى
الموقع
من
يئاقلت
رة يرارح نزتي يأ ماظنلا ةرارح ةجرد.
تتولد حركة وتيارات تنقل المادة من الجزء االكثف الى الجزء االقل كثافة -ب عند إختالف الضغطيكيناكيم ماظنلا نزتي يلاتلابو ةمظتنم ةفاثكلا حبصت ىتح.
:دما يكوإذن حالة التوازن تتحقق عن
.عزل النظام عن المحيط بحيث ال تنتقل حرارة او شغل عبر حدود-1
.تساوي الضغط ودرجة الحرارة في كافة اجزاء النظا-2
ذا وبه
االج راء
ونهاي ة
بداية
عند
توازن
حالة
في
النظام
بأن
الكتاب
هذا
في
نفترض
القول فإن النظام يكون في حال ة ات زانومجمل.نستطيع تحديد الحالة االبتدائية والنهائية للخاصيتين سوف .ثرموديناميكي عندما تكون خواصه ثابتة
كما في ال شكل)باتاد( محاطة بجدار عازل (C)و (B)و(A)نفترض وجود ثالثة انظمة فأن (B)و (A)يبين انه اذا كان(1.6-a)إن الشكل).1.6( سيكون في حال ة (C)في حالة اتزان
و (A)فيبين ان ه اذا ك ان(1.6-b)اما الشكل. لوجود جدار موصل للحرار (B)و(A)اتزان مع(B)عم نازتإ ةلاح يف (C)نوكيسف في حالة إتزان مع بع ضهما (B)و (A)لوجود جدار اديباتي
.لوجود جدار موصل للحرارة
ديناميكا لل(The Zeroth Law)وسماها بالقانون ال صفري)فول.ه.(هذه الحقيقة اكدها فسيكون النظامين ف ي: "الحرارية الذي ينص على انه إذا كان نظامان في حالة إتزان مع نظام ثالث
فلو.ييتحول النظام من حالة توازن الى حالة توازن اخرى عندما تتغير خواصه في اجراء مع فسيتغير الحجم والكثافة ودرجة الحرارة .ال.…إزداد الضغط المسلط على غاز
ثابتة
اكثر
او
خاصية
بقاء
مع
النظام
خواص
تتغير
ان
الممكن
من.
درج ة
ثب وت
عن د
الثمف تو بث د نعو كاالسطوانة التي تسمح حدودها بأنتقال الحرارة الحرارة فيسمى االجراء االيزوثرملي مثل انفجار مفاجئ لعجلة الدراجة الهوائية او اثناء شوط القدرةكمية الحرارة فيسمى االجراء اديباتي
.في اسطوانة محرك احتراق داخلي
أي ان جميع خواصه ف ي بداي ة ونهاي ة االج راءات وعند عودة النظام الى حالته االصلية فانه يكون قد مر بدورة التي هي مجموعة اجراءات كدورة كارنو التي سيرد ذكره ا فيم امتساوية
دورة محركات االحتراق الداخلي او المحركات البخارية .بعد
يأتي
كما
تصنيفها
يمكن
التي
الثرموديناميكية
العمليات
في
النظام
حالة
تتغير:-
او الساكنة التي تكون في االنظمة المغلقة والتي ال تتغي ر(Non Flow)االجراءات الالجريانية-1 . الكتلة او الطاقة الحركية والكامنفيها
او التدفقية التي تكون في االنظمة المفتوحة والتي تتغير فيها الطاقة(Flow)االجراءات الجريانية-2 :الحركية والكامنة وتقسم الى
. ال تتغير فيه معدل جريان الكتل(Steady Flow)التدفق المستقر - أ
عموم ا يوض ح. تتغير فيه معدل جريان الكتل ة(Non Steady Flow)التدفق غير المستقر -ب
Mechanical Concept of Pressure ات ز ا ـ غ ل ا ب ل و غ ش ـ م ل ا مجحلاو ونقطة الغليان للسوائل إن درجة حرارة االنصهار للمواد الصلبة
ومعظم خواص المواد تعتمد على الضغط المسلط عليها .واالبخرة
فيولد الهواء المضغوط دفع او قوة على السطح الداخلي لألطاروعندما يمأل طار سيارة بالهواء وحدلذلك يعرف الضغط بأنه القوة المسلطة عمودي ع.بسبب اصطدام جزيئات الهواء على السطح
رمزه .(P)السطوح
كما في شكل(F)عند تسليط قوة مقدارها ار مساحة موضوع على ج (2.1-a)على جسم صلب
وسينتقل (P = F/A)عندئذ سيكون هنالك ضغط مسلط عمودي على سطح التماس مقداره(A)تماسه .بأتجاه القوة المسلطة
ن (2.1-b)كما في شكل (A)على مكبس مساحة مقطعه(F)واذا سلطت قوة و ك ي ـ س ذئدنع تجاهات في االسطوانة وسينتقل الى جميع ا(P = F/A)هنالك ضغط مسلط على المائع مقداره
الضغط العمودي على وحدة السطو-))2.1شك
.كعملية نفخ كرة مطاطية حيث تنتفخ في جميع االتجاهات
ة (A)والمساحة (N)بالنيوتن(F)واذا كانت القوة ـ ع ب ر م ل ا راتمألاب (m2ن( و ك ي ـ س ذ ـ ئ د ن ع
ـ(P)الضغط ل ا ب (N/m2
ن(Pa)تسمى بالباسكال و (SI)وهي وحدة اساسية للضغط في نظام( ا ـ ك و . اول من اهتم بقوانين الضغ(Pascal)باسكال
ـن ر م ـ ب ك ا ة ف ع ا ض ـ م تادحو ةيلمعلا ةايحلا يف لمعتستف دج ةريغص لاكسابلا ةدحو نوكلو كالكيلو باسكال -: والعالقة بينهم ه (MPa)والميكا باسكال(kPa)الباسكال
ه ∗)البا(ان ـ ع ا ف ت ر ا قبئزلا نم دومع هببسي يذلا طغضلا وه (750mm)تا د ـ ح و ل ا ي ـ ف و
(inوالمساحة باالنج المربع(Lb)البريطانية تكون القوة بالباوند2و( ـ ك ت ه ـ ي ل ع ط غ ض ـ ل ا ة د ـ ح و ن
(Lb/in2ـ (PSI)ويسمى( : ه (atm.)عالقته مع ال
)2.2 Pressure due to a head of fluidالضغط الذي يسببه عمق المائ-)
ع ئ ا ـ م ىلع يوتحي أي ان الضغط الجوي ال يؤثر عليه نفترض وجود خزان غير محاط بالهواءكل (A)ومساحة مقطعه (h)لهذا المائع ارتفاعه ثابتة فلو اخذنا مقطع طولي(ρ)كثافته كما في ش : عندئذ سيكون الضغ (V=A ×h)وحجمه (m=ρV)فستكون كتلة هذا المقطع(2.2)
Atmospheric Pressureالضغط الجوي-)2.3(
ومع ذلك يستعمل كثير في التطبيقات الصناعية (SI)ال ينتمي الى اسرة الوحدات(bar)ان البار ∗ .وفي الحسابات المختلفة شرط تحويله الى الوحدات المناسبة
لذا عزى سبب عدم ارتفاع الماء الى انخفاض مستواه في البئر لدرجة لم يستطع معها الضغطجيدة
لي.الجوي على رفع الماء الى مستوى الحديقة ي ـ ش ر و ت م ل ا ـ ع ل ا ت ـ ع ف د ةثداحلا هذه)1644 –1608(
-:باختراع الباروميتر الذي يعتمد المبدأ التالي
الشكل)2.3(
تأثير
بوجود
يسمح
ال
مقطع
ذو
انبوب
فيه
مغمور
سائل
على
يحتوي
نازخ
.سطشعري ناتج عن توتر اليبين
ي و ا س ـ ت م بو ـ ب ن ال ا و ن ا ز ـ خ ل ا يف لئاسلا حطس نوكيسف ىلعالا نم حوتفم بوبنالا ناك اذافاما اذا كان االنبوب مغلق ومفرغ من الهواء. (2.3-a)كما في شكل(Patm.)لتساوي الضغط الجوي
ـضغط (h)من االعلى فسوف يرتفع السائل داخل االنبوب بمقدار ة ال ـ م ي ق ل ة ي و ا س ـ م اهتميق ي و ـ ج ل (Patm.)لكش يف امك (2.3-b)غارفب ىمسيف لئاسلا حطس قوف بوبنالا يف لصحي يذلا غارفلا اما فإذا كان زئبق(h)إن قيمة.تورشيلي ( تعتمد على نوعية السائل :فيكو) كثافته
ي و ا ـ س ت يوجلا طغضلل ةتباثلا ةميقلا(101.3kN/m2ـا.( ن م ا ـ ك اذإو)هتفاث (إف:
يكون طويال جد لألغراض القياسية وعرضة للكسر(10.326m)إن عمودا من الماء ارتفاعهـ لذا فكر تورشيلي باستعمال الزئبق النه اكثف من الماء ب مرة ومنه(13.6)اثناء حمله او استعماله
مرة بارتفاع عمود أفان عمود الزئبق سيكون :الماء
وبما انه الوقعم عافترالا اذه(Hg)ع ا ـ ف ت ر ا ن و ك ي ـ س ذ ـ ئ د ن ع هو الرمز الكيمياوي للزئبقات.(760 mmHg)الباروميتر الزئبقي د ـ ح و ب ط غ ض ـ ل ا نوكي ةيكيمانيدومرثلا تاباسحلا يفو(Pa)
-: عندئذ سيكون الضغ(h=mm)فإذا كان االرتفاع البارومتري.ومضاعفاته
يلمعوسكعلاب سكعلاو طغضلا ةدايزب يرتمورابلا عافترالا دادزيس .نم طغضلا رادقم ريغتيد ـ ح ا و ل ا نا ـ ك م ل ا يف طغضلا ريغتي امك مكان الى آخر حسب إرتفاع المكان عن مستوى سطح البحر
و ـ ج ل ا يف ةبوطرلا رادقمو ودرجة الحرارة ك.ايض من وقت آلخر نتيجة تأثره بسرعة الريح ل ذ ـ ل
الب
وفورتصنعت
المسجل
والمعدني
والمعدني
الزئبقي
منها
الجوي
الضغط
لقياس
اروميترات.
The Manometerالمانوميتر-)2.5(
ل(U)عبارة عن انبوب على شكل حرف ص ـ ت ي و مفتوح الى الضغط الجوي عند احد جوانبهق ـ ـ ل ط م ل ا ط غ ض ـ ـ ل ا وا يـ ـ ق ي ق ح ل ا ه ط غ ـ ـ ض س ا ـ ـ ي ق بو ـ ـ ل ط م ل ا ء ا ـ ـ ع و ل ا ب ر ـ ـ خ آل ا فر ـ ـ ط ل ا د ـ ـ ن ع
(Absolute Press.. Pa).
لكون الضغط الجوي غالب ما يقاس بأرتفاع عمود من من الشائع استعمال الزئبق في االنبوبي)50mmلحد(وعندما يكون الضغط الجوي قليال.الزئبق ـ ط ع ي هنألو ةئطاولا هتفاثكل ءاملا لمعتسيف
المائل
كالمانوميتر
القياسات
في
دقة(Inclined Manometer).
ن عندم إ ـ ف ه ـ ي ل ع و ق ـ ل ط م ةملك ركذل يعاد ال ي(250kPa)ا تكون الضغوط مطلقة ـ ن ع ت
(250 kPa. Pa).
ط(Patm.)ان نقطة الصفر في المانوميترات هي الضغط الجوي غ ض ـ ل ا نوكي نا نكمي هيلع وكما موضح في ادناه .المطلق للوعاء يساوي او اكبر او اصغر من الضغط الجوي
وب (2.4-a)كما في شكل(Pa = Patm.)عندما يكون-1 ـ ب ن ال ا يفرط يف لئاسلا ىوتسم ىواستيف اس ـ ق م ل ا ط غ ض ـ ل ا نوكيسو نيفرطلا ىلع يوجلا طغضلا ريثأت ببسب(Gauge Pressure. Pg)
أي ان رفص يواسي:
Pg = 0 …… (2.2)
ن فسير (2.4-b)كما في شكل(Pa > Patm.)عندما يكون-2 ـ م ي ال ا فرطلا يف لئاسلا ىوتسم عفل. الذي يمثل مقياس الضغط الموجب (Pg)او(+h)لألنبوب بمقدار ـ ج ا ر م ل ا يـ كما هي الحال ف :البخارية وسيكون
Pg = Pa – Patm. > 0 …….. (2.3)
ى (2.4-c)كما في شكل(Pa < Patm.)عندما يكون-3 و ت س ـ م ضف خ ن ي س ـ ف ي ـ ل خ ل خ ت طغض يأ ط (Pvac.)او (-Pg)او(-h)يمن لألنبوب بمقدارالسائل في الطرف اال غ ض ـ ل ا سايقم لثمي يذلا
ة(Gauge Vacuum)السالب او مقياس التفريغ او التخلخل ـ ي ر ا خ ب ل ا تافثكملا يف لاحلا وه امك
:وسيكون
Pg = Patm. – Pa < 0 …….. (2.4)
والضغط (Pg)يجب ان تكون وحدات الضغط المقاس(Pa)وعند حساب قيمة الضغط المطلق وهذا ما سنوضحه في االمثلة اآلتي(Patm.)الجوي : موحدة
ع.(0.85)غاز في خزان بمانوميتر يحتوي على مائع وزنه النوعيعند قياس ضغط-4 ا ـ ف ت ر ا ناك : فيكون الضغط المطل (96kPa)وكانت قيمة الضغط الجوي(55cm)عمود المائع
كل(50mm H2O)ديستعمل لقياس فروق الضغط الصغيرة جد مثال الى ح ـي ش والمبين ففإذا كان. مساوية لقيمة معينة(α)إن زاوية ميل انبوب المانوميتر المائل عن المستوى االفقي).2.5(
(30mm)
وكان (α=10°)
المائ
االنبوب
طول
على
المقياس
طول
فان :
المانوميتر المائ-))2.5شك
ى. تقريب (0.8)وزن نوعييستعمل الماء او زيت البارافين الذي له ـ ل ع ل ص ـ ح ن انناف هنمو فضال عن ان معدل تبخره اقل من الماء .تغير اكبر في المستوى مما لو استعملنا الماء
The Bourdon Gaugeمقياس بوردن-)2.7(
اس.إن اجهزة قياس الضغط هي الباروميترات والمانوميترات كما سبق ذكره ـ ي ق م كل ذ ـ ك و ))2.6ي شكلبوردن الموضح ف
ي ـ ت ل ا طو غ ض ـ ل ا و ةيراخبلا لجارملاو تارايسلا تاراطا طغضك ةريبكلا طوغضلا سيقي يذلاي (Pg)ويقيس ضغط المقياس(0.12 MPa)تزيد على و ـ ج ل ا ط غ ض ـ ل ا ةدايز بجت كلذل (Patm.)
.(Pa)أليجاد الضغط المطلق
مقاييس
هي
مرت
التي
االجهزة
جميع
ـيإن ف
ر ا ـ خ ب ل ا
ضغوط
مثل
المستقرة
الضغوط
لقياس
ط.المحركات والتوربينات او في االسطوانات التي تحتوي على هواء مضغوط و غ ض ـ ل ا تا ر ـ ي غ ت اما كما في اسطوانة محرك فيمكن استعمال النوع الميكانيكي لتسجيل الضغط على مخطط بياني السريعة
ة(Indicator)بسرعة ثابتة يسمى بجهاز التأشير ط ا ـ س و ب م ت ـ ي ف طغضلا سايقم اما الذي هو مؤشر .مقياس بوردن
Temperatureدرجة الحرارة-)2.8(
م و ـ ه ف م
ان
أي
االنسان
بحواس
المرتبطة
الثرموديناميكية
الخواص
اهم
من
الحرارة
درجة
استعماللذلك يمكن.الحرارة او البرودة ينشأ من االحساس الذي نشعر به عند تالمس مختلف االشياء تعدفمثال حين نلمس قطعة معدنية ساخنة فإن نهايات االعصاب عند.اليد لتحديد سخونة او برودة االجسا
وس ـ م ل م ل ا م س ـ ج ل ا ك ـ ل ذ نا رسفي يذلا لقعلا ىلا ساسحالا كلذ لقتنيو ةنوخسلاب سحتس سمللا ناكم .ساخن
والسبب في هذا االستنتاجاما اذا تم لمس قطعة من الجليد فيمكن االستنتاج دون عناء انه بار دـ ي ل ا نم ةرارحلا صتمت ديلجلا ةعطق امنيب سمللا دنع ديلل ةرارح يطعي نخاسلا مسجلا نا ىلا دوعي.
ن ز ا و ـ ت ة ـ ل ا ح يـ إذا تالمس جسمان او اكثر وال يحدث تبادل حراري بينهما فأنهما يكونان فوإذا تالمس جسمان تختلف درجة حرارتهما فبعد فترة زمنية.كون لهما درجة حرارة واحدحراري و
إن
ا ـ م ه ن ي ب
الحرارة
إنتقال
يتوقف
عندما
الحراري
التوازن
حالة
الى
ستصل
االجسام
هذه
فإن
.توقف انتقال الحرارة يعني ظهور خاصية مشتركة هي درجة الحرارةمناسبة
ا ـ ن ز ا و ت م م ا ـ ظ ن ل ا ن ا ـ ك اذا اميف نيعت يتلا ةيصاخلا كلت اهنأب ةرارحلا ةجرد فيرعت نكمي اذل .حراري مع نظام او اكثر مجاور له
ا ه ض ـ ع ب عـ من ذلك يتضح ان الحرارة ودرجة الحرارة والتوازن الحراري مفاهيم مرتبطة مةفالحرارة شكل من اشكال الطاقة تنتقل من جسم آل.إرتباط وثيق ر ا ر ـ ح ة ـ ج ر د نيب قرفلا ببسب رخ
ي.الجسمين و ا س ـ ت ة ـ ل ق ت ن م ل ا ةيرارحلا ةقاطلا نا ينعي كلذ نإف نيمسجلا ةرارح ةجرد تواست اذإ اما
حراري
توازن
حالة
في
الجسمين
وأن
ا
صف.
Scales of Temperatureمقاييس درجة الحرارة-)2.8.2(
كإن حاسة اللمس عاجزة عن تقدير درجة برودة او سخ ـ ل ذ بناج ىلا يمقر ريدقت مسجلا ةنوس.فإن حاسة اللمس تتحسس فقط ضمن مدى محدد جد من درجات الحرار ـ م ل ن ا س ـ ن ال ا لمحتي الف
ر ـ ي غ ـ ع ا ب ط ن ا يطعت ام ريثك سمللا ةساح نإف كلذ نع الضف دج ةدرابلا وا دج ةنخاسلا ماسجالا .صحيح عن درجة سخونة االجسام
لم
عند
الثمفلوالا
م س ـ ج ل ا
ن إ ـ ف
ي ب ش ـ خ
واآلخر
معدني
احدهما
الشتاء
فصل
في
جسمين
ن س و ـ ك ىلا دوعي ببسلاو امهترارح ةجرد يواست نم مغرلا ىلع يناثلا مسجلا نم دربا سمللا دنعودبيل ا ـ ق ت ن ا ب حمسي ال لزاع يناثلا مسجلا امنيب ةرارحلا لاقتنأب حمسي ةرارحلل ديج لصوم يندعملا مسجلا
.الحرارة
عند وضع احدى اليدين في سائل ساخن واالخرى في سائل بارد ثم رفع اليدين معمثال آخر بينما اليد الثانية ستشعر ان الماء نفسه وغمسهما في سائل دافئ فان اليد االولى ستشعر ان الماء بارد
.ساخن
واللجوء
الحرارة
تقدير
في
البدائية
الطريقة
عن
االستغناء
الضروري
من
كان
طريقةعليه
الى
ير.علمية ودقيقة في قياس درجة الحرار ر ا ـ ح م ل ا ب ى م س ـ ت ة ر ا ر ـ ح ل ا ة ـ ج ر د ل سيياقم تممص كلذل(Thermometers)د و ر ـ ب ل ا وا ة ر ا ر ـ ح ل ا يف ريغتلل عبت صلقتت وا ددمتت داوم ىلع يوتحت .ه ذ ـ ه
ي و ـ ج ل ا ط غ ض ـ ل ا د ـ ن ع ه ـ ن ا ي ل غ و ـ ي و ا ي م ي ك يقنلا ءاملا دامجنإ يتطقن ىلع دمتعت سيياقملاي ـ س ا ي ق ل ا
(760 mmHg)د ـ ن ع ال ي ـ ل ف ضف خ ن ـ ت و نايلغلا دنع دادزت ةرارحلا ةجرد نإف طغضلا ةدايزب هنا ذإ .وتقسم المسافة بين النقطتين الثابتتين على عدد معين من االقسام ويسمى كل قسم درج.االنجماد
ويشم .(Relative Temperature Scale)المقياس النسبي-1
(Celsius Scale)مقياس سلزيوس -
نفسه
المئوي
المقياس
هو(Centigrade Scale)(°C)
عام
بسلزيوس
سمي )1742(
ة ب س ـ ن ن).)1701 –1744الى مخترعه العالم السويدي اندريه سلزيوس ا ز و أل ـ ل ع ـ س ا ت ل ا ر م ت ؤ ـ م ل ا ر ر ـ ق يلزيوس بدل مئوي عالميا تكون فيه درجة انجماد الماءاستعمال كلمة س))1948والقياسات المنعقد عام
ات. (100°C)والغليان(0°C)النقي د ـ ح و ل ل يملاعلا ماظنلا عم لمعتسي سايقملا اذه.ة ـ ج ر د ز ـ م ر .(°C)ووحدتها. (t)او(t°C)الحرارة على هذا المقياس
(Fahrenheit Scale)المقياس الفهرنهايتي -ب
جابري
دانيل
مخترعه
باسم
فهرنهايتسمي
ل)1686 –1736(
ة ـ ق ط ا ن ل ا
ن ا د ـ ل ب ل ا
في
يستعمل (32نقيتكون فيه درجة انجماد الماء .باالنكليزية °F)نايلغلاو (212°F).ة ر ا ر ـ ح ل ا ة ـ ج ر د زمر(t°F)هتدحو (°F).
بذلك تصبح الدرجة)180(درجة والفهرنهايتي الى))100يقسم المقياس المئوي على درجة من الدرجة على المقياس الفهرنهايتيعلى المقياس ا (t°C)اما العالقة بين الدرجة المئوية.مئوي
: تعطى بالعالقة اآلتي(t°F)والفهرنهايتية
))2.5مثا
: من المقياس المئوي الى الفهرنهايت(50°C)حول-1
t °F = 1.8 t °C + 32 = 1.8×50 + 32 = 122 °F
(176حول-2 °F)ا سايقملا نم وئملا ىلا يتياهنرهف:
وس(ان المقياس الفهرنهايتي لدرجة الحرارة قد زال استعماله والمقياس المئوي ي ز ل ي ـ س (لازال اال ان ما يعول عليه اآلن هو المقياس المطلق .لدرجات الحرار)كلف(واسع االستعمال
ي))1954في عام ـ ت ل ا ةجردلا ىلع دمتعي يذلا قلطملا سايقملا لامعتسا ىلع يلود قافتالا متس ـ ج ل ا لخاد ةنوزخملا ةقاطلا ةيمك مامت ىشالتت اهدنع.تا ب ا س ـ ح ل ا يـ اس ف ـ ي ق م ل ا ا ذ ـ ه ل م ع ت س ـ ي
-:الثرموديناميكية ويشمل
Kelvin Scaleمقياس كلفن -
ننسبة الى مخترع))1851سمي بكلفن عام ـ ف ل ك درول يناطيربلا ملاعلا ه)1824 –1907.(
يناظر المقياس المئوي وتكون (K)ووحدته كلفن (T)او(TK)رمز درجة الحرارة على هذا المقياس (-273.16درجة الصفر المطلق تساوي °C)ق ـ ل ط م ل ا ر ف ص ـ ل ا ن و ـ ك ي ذئدنع على المقياس المئوي
درجة.لي التي تفقد الجزيئات عندها جميع طاقتها الداخليةلدرجة الحرارة هو درجة الحرارة للغاز المثوفي الحسابات الثرموديناميكية كما ذكرنا فإن. (273 K)ويمكن اعتبارها(273.16 K)انجماد الماء
.:760mm 750mm 1mmاحسب الضغط المكافئ لعمود من الزئبق عندما يكون ارتفاعه
P = ρgh = 13600 × 9.81 × 0.76 = 101.396 kPa
= 13600 × 9.81 × 0.75 = 100 kPa
= 13600 × 9.81 × 0.001 = 0.133 kPa
)2.16(
ق (200 Pa)اذا اردنا قياس فرق الضغط مقداره ـ ب ئ ز ل ا ل ئ ا س ـ ك ه ـ ي ف لمعتسا رتيمونام ةطاسوب ل و ـ ـ ح ك ل ا ء ا ـ ـ م ل ا .ل ئ ا س ـ ـ ل ا د و ـ ـ م ع ع ا ـ ـ ف ت ر ا ب س ـ ـ ح ا .ـ ـ (ρHg=13600kg/mناذا ك
3)
(ρw = 1000 kg/m3) (ρalc. = 800 kg/m
3).
)2.17(
(757 mmHg)فإذا كان الضغط الجوي.(1.75 MPa)مقياس بوردن يقيس ضغط مقداره .(MPa) (mmHg)احسب الضغط المطلق بوحدات
تساوي)كتلة الثقل+كتلة المكبس( عليه ثقل(24cm)اسطوانة فيها غاز مغلقة بمكبس قطره(2kg).ق ـ ب ئ ز ل ا ع ا ـ ف ت ر ا ن ا ـ ك و .(750mmHg)تم قياس الضغط الجوي بوساطة باروميتر زئبقي
بوحدات
والمطلق
المقاس
الضغط
احسب:kPa
bar
PSI
mmHg.
)2.19(
تر)(فيها غاز ربط عليها مانوميتر زئبقي فإذا كاناسطوانة ي م و ن ا ـ م ل ا ةءارق(15 cm Hg) )(
ه ـ ي ل ع ةكرحلا رح سبكم هقوف زاغ دجوي في النظام الموضح في الشكلن.ثقل و ك س ة ـ ل ا ح يـ م ف ا ـ ظ ن ل ا ناك اذا نيعمتجم لقثلاو سبكملا نزو بسحا
طواحس غ ض ـ ل ا نا ت ـ م ل ع اذإ ز ا ـ غ ل ل ساقملا طغضلاو قلطملا طغضلا كلذك بي و ـ ـ ـ ـ ـ ـ ـ ـ ج ل(1.01bar)ق ـ ـ ـ ـ ـ ـ ـ ـ ب ئ ز ل ا ة ـ ـ ـ ـ ـ ـ ـ ـ ف ا ث ك و
(13.6 g/cm3 ان.( .(D=20 cm)(d=2 cm)اهمل وزن الغاز
)) :3560.87 Nج
(2.2)
.(0.5 bar)عند دخول الغاز الى ضاغط وكانت قراءته)فاكيو(وضع مقياس ضغط متخلخل
ز.(0.8 MPa)قياس الضغط عند الخروج من الضاغطوكانت قراءة م ا ـ غ ل ل ق ـ ل ط م ل ا طغضلا بسحإي و ـ ج ل ا ط غ ض ـ ل ا ن ا ـ ك اذا ط غ ا ض ـ ل ا نم جورخلاو لوخدلا دنع(760 mmHg)ق ـ ب ئ ز ل ا ة ـ ف ا ث ك و
(13600 kg/m3ق. بين الدخول والخرو(U)إذا وضع مانوميتر زئبقي على شكل.( ر ـ ف ب س ـ ح ا
هذه التحوالت تنظم بضوابط.يهتم علماء الديناميكا الحرارية بالطاقة وتحوالتها من شكل آلخرم.معينة هي قوانين الديناميكا الحرارية و ـ ه ف م نع ربعي يذلا لوالا نوناقلا ةغايص يف دعاست ةقاطلاف
.الطاقة
رمزهايمكن تعريف الطاقة بأنها ة.(E)لقدرة على إنجاز شغل ـ ك ر ح ل ةجيتن وهف لغشلا امال و ـ ح ت ت كرحملا يف هقرح دنعف يحتوي الوقود على طاقة كامنة بصيغة كيمياوية قوة ما مسافة معينةا ـ ه ك ي ر ح ت ي ر ـ ج ي ةوق نأل لصح دق الغش ومنه فأن هذه الطاقة الى طاقة ميكانيكية تحرك السيارة
حرق الوقود تؤدي الى زيادة درجة الحرارة والطاقة الداخلية للمائبمسافة معينة نتيجة ل
ة (J)وهو الجول(N.m)أي)المساف×القوة(إن وحدات الطاقة هي ر ي غ ـ ص ة د ـ ح و هنألو (10الذي يساوي(kJ)فيستعمل الكيلو جول
3 J).
Sources & Forms of Energyمصادر واشكال الطاقة-)3.2(
النوو(محدودة وتشمل الوقودمصادر ذات كميات-1 الفحم ).العادي
:مصادر ذات كميات غير محدودة لتوليد القدرة الكهربائية مثال وتشم-2
وتشمل :هي االشكال المختلفة لطاقة المائع موجودة ضمن المائع تفسه
Potential Energyالطاقة الكامنة - أ
رمزها تتوقف على وزن الجسم وارتفاعه بالنسبة لمنسوب(PE)تسمى ايض بطاقة الوضع
الطاقة التي يكتسبها الجسمثابت كطاقة الم ياه المحجوزة على منسوب معين وراء احد السدود أي انهاح االرض(Z)عندما يكون على ارتفاع مقداره)النظا(او المائع ط س ـ ل ة ب س ـ ن ل ا ب .ب ذ ـ ج ل ا ة و ـ ق نإ
و (g)حيث(F= m×g)االرضي للكتلة يساوي ـ ق ل ا ه ذ ـ ه تـ ك ر ح ت ا ذ إ ـ ف تمثل التعجيل االرضي : فإن الطاقة الكامنة تساو(Z)ل مسافة شاقولية مقدارهاخ)او الوز(
PE = F × Z = m×g× z …… (3.1)
×: ∆PE = mgاما التغير في الطاقة الكامنة ∆Z …….. (3.2)
حيث يكون التغير صغير مليس للطاقة الكامنة اهمية كبيرة ـ ظ ع م يف رفصلا نم برتقي دج .المحركات الحرارية
Kinetic Energyالطاقة الحركية-ب
رمزها(KE).
وسرعته
الجسم
وزن
على
تتوقف
النظام
طاقة
أي
المائع
او
الجسم
طاقة
يمكن ان.يكون حدها االقصى عندما يبطئ الجسم الى السكون.اذا كان في حالة حركة او عند تبطيئه هيطتكون غ ا و ض ـ ل ا و زاغلاو راخبلا تانيبروت ذات اهمية كبيرة في بعض االنظمة مثل المحركات النفاثة
ة (a)الكتلة (m)الزمن (t)السرعة (C)وعندما تكون.ال.… و ـ ق ل ا نو ك ت س ـ ف ة ـ ل ت ك ل ا ليجعت : يساو(dL)الخارجية الكلية المؤثرة في الجسم في االتجاه الموازي ألزاحته
الشغل الكلي المبذول او الطاقة الكلية بوساطة الجسم ضد هذه القوة لتقليل السرعة منوسيكون(C)واسي رفصلا ىلا :
:اما التغير في الطاقة الحركية فيساوي
:اما الطاقة الحركية النوعية فتساوي
: من خالل التحويل التالي للوحدا (KE)وحدات علونتعرف
ـفإذا اريد ان : كالتال(3.8)فتصبح المعادلة) )kJ/kgبوحدات(KE)تكون ال
(Flow or Displacement Energyطاقة الجريا( الطاقة االزاحية او التدفقية-د
ى.مائع سواء كان غاز أو سائالا)تدف(هي الطاقة الناتجة بسب أزاحة او جريان ـ ل ع نوكت :شكل نوعين
أ.
أزاحطا
شغل
او
ة.
).تدفق(طاقة أو شغل جرياني .ب
ا ز ـ ج ن م ر ـ خ آل ناكم نم هحيزت سبكم ىلع ةرثؤم ةوق ةطساوب لوذبملا لغشلا وه يحازالا لغشلا نأل.ابسط مثال على ذلك هو مايحدث في اسطوانة محرك.بذلك شغال ازاحي ـ خ ا د دوقولا قارتحا دعبف
ك)او تزيح(التي تدفعفتمدد الغازات.االسطوانة تتولد طاقة ل ذ ـ ب ا ز ـ ج ن م ىرخال ةطقن نم سبكملاة.شغال خارجيا موجب ـ ط ق ن نم اضيا حازيل ابلاس ايلخاد الغش سبكملا جاتحي تازاغلا طاغضنا دنعو
ئي)V1(وان).وزن المكبس مثال(تمثل الضغط المؤثر الثابت))Pفأذا كان.الخرى ا د ـ ت ب ال ا م ـ ج ح ل ا
للغاز)V2(
النهائي
الحجم.
الغاز
قبل
من
المنجز
الشغل
فأن)W(
ة ـ ط ق ن
ـن م
بس ـ ك م ل ا
يزيح
والذي )V1(ةطقن ىلا)V2(نوكيس:
W12 = P∆V12 = P(V2-V1 )
Transit Energyالطاقة المنتقلة او العابرة-)3.2.2(
ء ا ـ م ى ـ ل ا رطملا اذه لوحتي ةريحب ىلع رطملا لطهي امدنعف يمكن تشبيه هذه الطاقة بالمطرااضافي ضمن ـ م ن ي ب ة ـ ن و ز خ م ل ا ة ـ ق ا ط ل ا هبشي ةريحبلا نمض ءاملاف رطم ذئدنع ىمسي الو البحيرة
الحرار
او
الشغل
يشبه
المطر.
ة ـ ن و ز خ م
طاقة
الى
يتحوالن
النظام
الى
الحرارة
او
الشغل
انتقال
فبعد.
وإنما يقال انه يحتوي على طا ة مخزونة لذلك من الخطأ ان يقال ان النظام يحتوي على كمية حرارة .ينتهي وجودهما كشغل او حرارة ويتحوالن الى زيادة في الطاقة الداخلية والحركية والكامنة
ة ـ ن و ز خ م ل ا ةقاطلا دادزتسف جراخلا لغشلا نم ربكا ماظنلا ىلا ةلقتنملا ةرارحلا ةيمك تناك اذا .لحراريتبين من المناقشة ان الطاقة المنتقلة تشمل الشغل و.في النظام والعكس صحيح
The Conservation of Energyحفظ الطاقة-)3.3(
آخر
الى
شكل
من
تتحول
وإنما
تستحدث
وال
تفنى
ال
الطاقة
ان
على
الطاقة
حفظ
قانون
ينص.
ى ـ ل ا ةيرارحلا ةقاطلا لوحت يتلا ةيئابرهكلا ةقاطلا ديلوت تاطحم وه موهفملا اذه حيضوتل لاثم طسباةطاقة ميكانيكية ثم الى شغل ي ـ ي ئ ا ب ر هكل ا ةدلوملا ريودتب موق(Electrical generator).ا ذ ـ ه نا يأ
الشغل قد تحول الى طاقة كهربائية ترسل الى المستهلك ألستعمالها في اجهزة مختلفة ألنتاج الحرارة او ة او.الضوء او القو ـ ق ا ط ل ا ب ر س ـ ت ببسب ةيئابرهك ةقاط ىلا ةيرارحلا ةقاطلا لك لوحتت ال ديكأتلابو
واالمثلة على محطات توليد االمفق :طاقة هودات الحرارية
Nuclear Gas Turbine Power Plant (3.4-a)الغازية شكلالمحطة النووي-5
Hydraulic Power Plant (3.4-b)المحطة الهيدروليكية شكل-6
.وسنسلط الضوء على بعض من هذه المحطا.وغيرها من محطات تحويل الطاقة
محطة ديز-1
الو
في
الموجودة
الكيمياوية
الطاقة
تتحول
ديزل
محرك
داخل
الوقود
حرق
ةبعد ـ ق ا ط
الى
ود نواتج االحتراق ة(Product of Combustion)حرارية ـ ي د د ر ت ة ـ ك ر ح سب ـ ك م ل ا ك ر ـ ح ت ي و ددمتت (Reciprocating)ةينارود ةكرح ىلا لوحتت مث (Rotary)ل ي ـ ص و ت ل ا عارذو ق ـ ف ر م ل ا ةيلآ ةطاسوب
(Crank Connecting rod mechanism)يئابرهكلا ةقاطلا جاتنأل دلوملا اهلغتسي .ا يأ:
طاقة كهربائية← المولد← طاقة ميكانيكية← محرك ديزل←الطاقة الكيميائية
ة(Compressor)يضغط الغاز خالل الضاغط ط ـ س ا و ب ير ا ر ـ ح ل ا ل د ا ـ ب م ل ا يف نخسي مث ة(Reactor)الحرارة المتولدة في المفاعل د ا ـ م ة ط ـ س ا و ب يرارحلا لدابملا ىلا لعافملا نم ةلقتنملاو
ات ز ا ـ غ ل ا
ـي ف
المخزونة
الطاقة
من
جزء
التوربين
خالل
الساخنة
الغازات
تتمدد
عندما
للحرارة
أي انناقلة :تتحول الى شغل يعمل على إدارة المولد الكهربائي
طاقة حرارية← مبادل حراري← طاقة حرارية←اعل الم←اليورانيوم توربي→ طاقة ميكانيكية→ المولد→طاقة كهربائية
وخالصة القول إذا كانت محطات تحويل الطاقة انظمة ثرموديناميكية فسيكون مجموع الطاقة الداخلة Esystemل النظا وتغير الطاقة دا (∑Eout)تساوي مجموع الطاقة الخارجة(∑Ein)الى النظام
: أ) )3.5كما في شكل
طاقة النظا-))3.5شكل
∑Ein = ∑out + ∆∑Esystem ……. (3.11)
: فسيكو(∆∑Esystem = 0)وعندما تكون حالة النظام مستقرة أي
∑Ein = ∑Eout = ∑Econstant
: فأ(Isolated)وعندما يكون النظام معزولEsystem = Constant
Work and Heatالشغل والحرارة-)3.4(
Historical Backgroundخلفية تأريخية-)3.4.1(
ن ز ـ خ ت ة د ا ـ م ا ـ ه ن ا يأ عئاوملا عاونا دحا ةرارحلا دعت رشع نماثلا نرقلا يف ةيرظن ترهظر.وتنساب من االجسام الحارة الى البارد ـ ي غ ر ـ ض ا ح ل ا تقولا يف تحبصاو تدنف ةيرظنلا هذه نكل
ـن)2(تتكون باالحتكاك و))1ن وأثبت عملي وعلمي ان الحرارةمقبولة ألنه بره ى م ـ ت ح ب ا س ـ ن ت .تنتقل من االجسام الحارة الى الباردة تلقائي))3االجسام الباردة و
ر خ آل ا ـ ب امهدحا حسم مث امهضعب نم نيدراب نيمسج بيرقتب يفيد يرفمه ريسلا ملاعلا ماق دقلوقام العالم نفسه بأخذ قطعتين من.ما بين هذين الجسمين الباردينفوجد ظهور الحرارة نتيجة االحتاك
ين ـ ت ع ط ق ل ا تر ه ص ـ ن أ ف ضعبلا امهضعبب حسملا ةيلمع أدبو ىرخالا قوف نيتعطقلا ىدحا عضوو جلثلا
ات ـ ئ ي ز ج ل ا ه ذ ـ ه نأل ةداملا تائيزج نيب ام كاكتحالاب نوكتت ةرارحلا نا تبثا ليلدلا اذهبو ءام انوكو .ة دائمية لذلك تنساب حتى من االجسام الباردتكون في حالة حرك
ان الحرارة تتولد باالحتكاك من خالل إرتفاع))1798اما العالم كونت رمفورد الذي اكد عام
مدفع
ماسورة
تجويف
عملية
في
االصفر
النحاس
رايش
حرارة
درجة.
ـال لذلك ومن خ بيقصد باالحتكاك الشغل المبذول والمسؤول عن انسياب الحرارة ر ا ـ ج ت ل ا ل هذا التكافؤ اوجده الدكتور جيمس اعاله تبين ان هناك تكافؤ متين بين الحرارة الناتجة والشغل المبذول
ر))1818 –1889بريسكو جول م ت ؤ ـ م يـ خي ف ي ر أ ـ ت ل ا هثحب لالخ نم يزيلكنا يوايزيف ملاع وهوة إذ قام بحساب القيمة العد))1843الرابطة البريطانية في كورك عام ر ا ر ـ ح ل ا نيب ةقالعلل ةتباثلا ةي أي ان(J=4.186 kJ/kcal)والشغل الميكانيكي والتي تساوي ل و ـ ج ئف ا ـ ك م ب ى م س ـ ت و (W/Q=J)
ات. (Kcal)بوحدات (Q)والحرارة (J)بوحدات الجول(W)عندما يكون الشغل د ـ ح و ل ا ماظن يفو
العالمي(SI)
الجول
وهي
الشغل
وحدات
نفس
الحرارة
وحدات
فإن (J)
و
يساوي(J=N.m)
ن إ ـ ف
لذا
فبقيت قيمته التأريخية فقط .قيمة المكافئ ليس ضروري في المعادالت
Relationship between Heat & Workالعالقة بين الحرارة والشغل-)3.4.2(
عند إنتقال الحرارة او الشغل الى النظام يتحوالن الى طاقة مخزونة بعد دخولهما الى النظام ال ة .مييزهما او فصلهما عن الطاقة التي يمتلكها النظايمكن ر ـ ي ح ب ل ا يـ ر ف ط م ل ا ـ ب ك ـ ل ذ هيبشت نكمي
وماء المطر في البحيرة يشبه الطاقة المخزونة ك ان.فالمطر هو الحرارة والشغل ـ ل ذ نـ ج م ت ن ت س ـ ن
حدود
عند
تالحظ
وقتية
ظاهرة
انها
أي
النظام
حدود
عبر
منتقلة
طاقة
هما
الشغل
او
م الحرارة ا ـ ظ ن ل .وتتوقف عندما يتوقف االنتقال
ة ـ ل ا د امهف كلذل كمية منتقلة وليس خاصية إذن الشغل والحرارة هما شكل من اشكال الطاقة أي ال يعتمدان فقط على الحالة االبتدائية والنهائية بل ايض على الحاالت البينية ة(للمسار ي ط ـ س و ل ا (
Sign. of Heat & Workالحرارة والشغل اشارة ووحدات-)3.4.3(
ة (w=W/m)الذي يساوي (w)والنوعي(W)رمز الشغل ر ا ر ـ ح ل ا زمرو (Q)ة ر ا ر ـ ح ل ا و ط. (q=Q/m)والتي تساوي (q)بالرمز(1Kg)لكل ي ـ ح م ل ا ىلا ماظنلا نم لقتنملا لغشلا نع لاقيو
الخارجي
بالشغل(External Work)
ور
ه(Wout)
موجب
واشارته .
ـنوع م
ل ـ ق ت ن م ل ا
ل غ ش ـ ل ا
ة. وإشارته سالب (Win)ورمزه(Internal Work)المحيط الى النظام بالشغل الداخلي ر ا ر ـ ح ل ا ا ـ م ا وكما مبين في شكل ).)3.6المنتقلة فأشارتها عكس إشارة الشغل
رمز و اشارة الحرارة والشغ-))3.6شكل
ة(W)ة فوق الرمزولألشارة الى معدل إنجاز الشغل نضع نقط د ـ ح و ل ـ ك ل ز ـ ج ن م ل ا لغشلا يواسيو ز ـ م ر ل ا قوف ةطقن عضن ولألشارة الى معدل إنتقال الحرارة أي (Q)زمنية
أي .ويساوي الحرارة المنتقلة لكل وحدة زمنية
شكل
الى
ننظر
والشغل
الحرارة
بين
نميز
ولكي)3.7(
ـ ف
ن)(
د د ـ م ت ي
ع ئ ا ـ م ل ا
ان
ح ـ ض و ي نازتالا ةلاح نم بيرق عئاملا لظي امنيب الغش زجنيو نزولا ضيفختب يتابايدا.يفو)(ةرارح لقتنت وفي .تنتقل حرارة فيتمدد المائع وينجز شغال)ج(بدون شغل
ماذا يحدث للحرارة بعد انتقالها:ومن الممكن ان نطرح السؤال التاليد و د ـ ح ل ا روبعبف فيكون الجواب على ذلك هو بما ان النظام ال يستطيع خزن الطاقة على شكل حرارة
ث د ـ ح ي و م ا ـ ظ ن ل ا هب ظفتحي نا نكمي يذلاو ةقاطلا لاكشا نم رخآ لكش ىلا ةيرارحلا ةقاطلا لوحتت كما في شكل نالذي يوضح بان الماء الموجو))3.8تحويل مماثل عند إنتقال طاقة الشغل ا ز ـ خ يف د
ك (b)او عن طريق االحتكاك(a)ترتفع درجة حرارته بنفس المقدار سواء عن طريق التسخين ل ذ ـ ل
.فأن الحرارة والشغل هما شكالن متبادالن من اشكال الطاقة
ل(J)يمكن التعبير عن الحرارة بوحدات الشغل التي هي الجول غ ش ـ ل ا ر ا د ـ ق م ه ـ ن أ ب فرعيو باالتجاه (m)عندما تتحرك هذه القوة مسافة متر واحد(N)يوتن واحدالمنجز بوساطة قوة مقدارها
:يمكن ان يكون الشغل بأشكال مختلفة موضحة في المخطط اآلتي
الشغل الميكانيكي-)3.5.1( لم يكن شغليعتمد على م إذا لم تكن حركة الشغل الميكانيكي هو الطاقة المبذولة للتغلب.بدأب.على قوة ما او مقاومة ذ ـ ج ل ا ى ـ ل ع بلغتلل يلضعلا ساسحالا نإف فمثال عند بذل طاقة لرفع كتلة
.هو شعور بوجود قو)أي وزنه(االرضي للكتلة ر و ع ـ ش دلويس ديلاب ضبان طغضل ةقاط لذب دنعو .فالشغل ينجز حين تتحرك قوة عبر مسافة معين.ود مقاومبوج
لم يكن شغال-))3.9شكل اذا لم تكن حركة
وكما موضح في الشكل ة))3.9لذا يمكن تعريف الشغل و ـ ق ل ا برض لصاح هناب(F)يـ ف :أ.(L)المسافة
L … Distanceالمسافة
F F
Work, W.
Mechanical W.
(Wmech.)
Electrical W.
(We)
Displacement W. (Wdis.) الشغل االزاحيOR Movin Boundar W. W Gravitational W. (Wg) شغل الجاذبيةAccelerational W. (Wa) شغل التعجيلShaft W. (Wsh.) شغل العمودSpring W. (Wsp.) شغل النابض
ان الشغل شيء يظهر عند الحدود عندما تتغير حالة النظام بسبب تحرك جزء من الحدود تحت فإذا تأثير القوة وكما هو الحال في الميكانيك نقول ان الشغل ينجز حين تتحرك قوة عبر مسافة معينة
االزاحي
الشغل
هو
هذا
فان
الضغط
تأثير
تحت
اإلزاحة
الى
الحدود
من
جزء
تعرض.
المساحة تمثل الشغ-))3.10شكل
بس ـ ك م ىلع ةرثؤم ةوق ةطاسوب لوذبملا لغشلا وه قفدتلا مدع تاءارجا يف يحازالا لغشلاة (P)وضغطه(V)نزيحه من مكان آلخر لنفترض وجود كمية من غاز حجمه ـ م ك ح م ة ن ا و ط ـ س ا يف
العرضي
مقطعه
مساحة
مكبس
بداخلها
يتحرك(A)
واال
التسرب
عديم
ة و ـ ق
ه ـ ي ف
ر ث ؤ ـ ت
حتكاك(F)
ء(P)عندما نفترض ان).3.10(كما في شكل)2(الى الحالة))1تزيحه من الحالة ا ـ ن ث ا ة ـ ت ب ا ث ىقبت : فا(dL)تحرك متناهي الصغر للمكبس لمسافة
dW = F . dL = PA dL = P dV ……….. (3.13)
رهذا تغ.المسافة التي تقطعها القوة في نفس إتجاهه×أي القوة غ ص ـ ل ا يهانتم ري.ل غ ش ـ ل ا ف :االزاحي نوجده بوساطة جمع التزايدات أي
وأليجاد المساحة التي تمثل الشغل(P-V)عندما يكون األجراء على شكل منحني على مخطط نقسم المساحة تحت المنحني على مستطيالت صغيرة كما في الشكل ـل(3.11-b)المنتقل مساحة ك
.مستطيل تمثل الشغل الجزئي ومجموع المساحات الجزئية يساوي المساحة الكلية المكافئة للشغل الكلي
كما في ا(X)فلو اخذنا نقطة ي(3.11-a)شكل على منحني التمدد ـ ئ ز ج ريغت لثمت ةطقنلا هذه نإف لذلك سيكون للشغل الجزئي تباث دعي هرغصلف طغضلا اما ة(dW)او صغير للحجم ح ا س ـ م ل ل و ا س ـ م
:أي ان.(Inexact Differential)الجزئية للمستطيل الصغير التي تمثل بتفاضل ناقص
dW = P dV = المساحة الجزئيةةومجموع المساحات ا ح ا س ـ م ل ا ة ـ م ي ق يأ يـ ل ك ل ا لغشلل ةئفاكملا ةيلكلا ةحاسملا لثمت ةيئزج
ر (B)الى (A)يبين حالة التمدد من(3.12-a)فالشكل.ومساحة االنضغاط كقيمة سالبة ا س ـ م ل ا ر ـ ب ع
(I).نم طاغضنالاو(B)ىلا (A)راسملا ربع (II).يـ صفبرغم ان التغير ف ا و ـ خ ل ا )P∆ ∆V( وهذا موضح بالمساحة المظللة إال ان الشغل مختلف ة.خالل المسارين متشابه ـ ق ل غ م ل ا ة ح ا س ـ م ل ا اما
(A→I→B→II ⎯ A)لكشلا يف امك الذي (3.12-b)فتمثل الشغل المنجز او الصافي في الدورةـ.يوضح ان النظام يمر بدوره )ويرمز لتكامل المقدار ب ا إذ تعود خو( ∫ ـ ه ت ل ا ح ى ـ ل ا م ا ـ ظ ن ل ا ص
أي ولكن الشغل المنجز الذي يمثل المساحة المغلقة).∫)dT=0∫ dV=0∫ dP=0اناالصلية أي ا(3.12-b)في شكل رفص يواسي ال (∫dW≠0).
ألن يمكن القول ان ل ان و ـ ق ل ا أ ـ ط خ ل ا نـ ولكن م
نالشغل ال يظه ي ت ل ا ـ ح ل ا ن ي ـ ب ر ـ ه ظ ي امنإو كما في خواص النظام ر عند الحالتين االبتدائية والنهائية لذا فالشغل أي خالل المسار ـا)او الحرار(االبتدائية والنهائية ر ت ـ ي غ لضافتب لثمت راسملل ةلاد•*
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=∫
2
1
12 )orW(WdWم اما خواص النظام فهما دالة ا ـ ت لضافتب لثمت ةلاحل
الثم)dP dV dT ….لا.(
ة ـ ط ق ن ل ا نم لقتني ةجارد بكار روصتن امدنع اهمهفن نا عيطتسن ةشقانملا هذه)1(ع ا ـ ف ت ر ا ب (Z1,m)ةطقنلا ىلا رحبلا حطس قوف )2(اهعافترا ةيبار ىلع(Z2,m)رحبلا حطس قوف .انربتعا اذإف
يمكن إع ـيراكب الدراجة بأنه النظام ر ف ـ ي غ ت ل ا نأل م ا ـ ظ ن ل ل ةيصاخ رحبلا حطس قوف هعافترإ راب أي االجراء من(Z2-Z1)االرتفاع ى) )1مستقل عن الطريق الذي يسلكه راكب الدراجة ـ ل ا )2.(نإ
• dW,dQنيتحيحص ريغ نييتقتشم )قان وا مات ريغ لضافت(
قالشغل الذي ـ ي ر ط ل ا ر ص ـ ق وا لوط ىلع دمتعي هنال ءارجالا نع لقتسم ريغ ةجاردلا بكار هب موق .افقة له او معاكسوكذلك فيما إذا كانت الرياح مر
ه ذ ـ ه قبطنتو ةيصاخب سيل هنا الا سايقلل ةلباق ةيمك لوذبملا لغشلا نا نم مغرلاب هنا ىرن كلذ نمو
منتقلة
طاقة
بوصفها
الحرارة
على
الحالة.
Mechanical Powerالقدرة الميكانيكية-)3.5.4(
بوحدات الواط أي . (MW)او (KW)او(W)هي المعدل الزمني ألنجاز شغل
(s)لكل ثانية(J)نجزالواط هو شغل ة. أي ر د ـ ق ل ا ب ةامسملا ةميدقلا ةدحولل ليدب وهو .مخترع الماكنة البخاري))1736-1814ان التسمية واط نسبة الى جيمس واط.(HP)الحصانية
Mechanical Forms of Workاشكال الشغل الميكلنيكي3.5.5
عيعد ـ م و
الحرارية
الثرموديناميكا
دراسة
في
الميكانيكي
الشغل
انواع
اهم
من
االزاحي
).)3.1بقية اشكال الشغل الميكانيكي والموضحة في جدول علىذلك البد من ان نتعرفلشغل
شغل النابضK … Spring ConstantX … DisplacementF =K . X
Thermodynamic Concept of Heatالمفهوم الثرموديناميكي للحرارة-)3.6(
ىاهي نوع من انواع الطاقة تنتقل من جسم الى اخر او تتدفق من الجزي ـ ل ا ا ط ا ش ـ ن رثكألا .الجزيئات االقل نشاط بسبب الفرق بدرجات الحرارة
ديتوقف انتقال الحرارة عندم ر ا ـ ب ر ـ خ آل ا و نخاس امهدحأ نامسج سمالت اذأف ا يتوقف اإلجراءة ـ ل ا ح لصحت ىتح لاقتنالا اذه رمتسيو دودحلا دبع درابلا مسجلا ىلا نخاسلا مسجلا نم ةارحلا لقتنتس
.االتزان الحراري أي تساوي درجة حرارة الجسمين وبذلك يتوقف انتقال الحرارة بتوقف االجراء
ـيتنتج الطاقة الحرارية ات ف ـ ئ ي ز ج ل ا ه ذ ـ ه نأ ذا من حركة الجزيئات الصغيرة المكونة للمادةب ع ص ـ ت و سواء كانت المادة غازية ام سائلة ام صلبة حركة دائمة في مختلف االتجاهات داخل المادةة ر ا ر ـ ح مسج بستكا اذاو فورعم رهجم قدا كلذ يف مدختسا ولو ىتح تائيزجلا هذه ةكرح ةظحالم
فتزداد تبعا لذلك درجة حرارته وعلىما فأن هذا يعني تزو د جزيئاته بطاقة تعمل على زيادة سرعتها
ك ر ـ ح ت ةعرس ةدايزل ةنوخس دادزت اهناف ةرارحلا نم ةيمك كرحم ةناوطسا تايوتحم تبستكا اذا اذهى ـ ن ع م ب و ا ـ ه ت ر ا ر ح ةجرد يف اعافترا لجسي هنإف اهنم ارارحم انبرق اذإ ساسالا اذه ىلعو جزيئاتها
.ن ارتفاع درجة حرارة جسم ما يعني ازدياد سرعة تحرك جزيئاتآخر فأ
كل ذ ش ـ خ ت ت ةعئام اهنأ تازاغلا صاوخ نم ناف ةيجراخلا اهلاكشاب ةبلصلا داوملا ظفتحت امنيبوة ـ ن ي ع م ةوقب ةيعوالا كلت ناردج ةيلاع ةعرسب ةكرحلا ةمئادلا اهتائيزج قرطتو االوعية التي تحتويها
ه فترتف.ط الغازيمكن قياسها وتسمى ضغ ـ ت ا ئ ي ز ج ةعرس تادزا ةرارح زاغلا بستكا اذاوة ـ ج ر د ع فاذا كان الحيز فان هذه الحرارة تزيد من شدة طرقحرارته كوعاء مغلق مثال لذي يحتويه محدودا
.ء نتيجة الزدياد سرعة تحركاتها فيزداد لذلك ضغط الغاجزيئات الغاز على جدران الوع الن احتراق الوقود يعطي كميةوهذا هو مايحدث عند الثم كرحم ةناوطسا يف دوقولا قارتح
ة ـ ج ر د عفترت كلذبو من الحرارة للغازات الموجودة حينئذ في الحيز المحدود المسمى غرفة االحتراقح.حرارة هذه الغازات ويزداد ضغطها الذي يؤثر بدوره في الجدران المحيطة به ط س ـ ل ا ن ا ـ ك ا ـ م ل و
كما انه الوحيد القابل للتحرك فانه يندفع الى االسفل منتجا شغالالعلوي للمكبس هو أحد تلك الجدران .ميكانيكيا
النها ليست مادة يمكن ان تخزن كما تصور الباحثون االوائلخاصليستان الحرارة . للنظام
الجول
وهي
الشغل
وحدات
نفس
وحداتها)J(
ا ه ز م ر و ل غ ش ـ ل ا
اشارة
عكس
واشارتها
ومشتقاته)Q(
واذا ). q(من المادة فرمزها))kg1كانت لكل
ر ا ـ ي ت ل ا ر و ر ـ م يكي ن ا ـ يك مل ا كا ـ ك ت ح ال ا يحصل النظام على حرارة بواسطة التسخين المباشر التفاعل الكمياوي .الكهربائي
The Specific Heat Capacityالحرارة النوعية-)3.7(
. ∗ من المادة درجة واحد(1kg)واحدهي كمية الحرارة الالزمة لرفع درجة حرارة كيلو غرام
أي تخضع للعالق. (kJ/kg.K)وحداتها(C)رمزها :إن الحرارة النوعية دالة لدرجة الحرارة فقطC = φ (T)
أي انه عند فعندما تنتقل الحرارة فأن الحرارة النوعية ستكون قيمتها ثابتة وستتغير بتغير المواد وهذاتسخين مواد مختلفة لنفس درجات الحرارة فإن الحرارة الالزمة تختلف بالمقدار من مادة ألخرى
ل ك ش ـ ل ا ن إ ـ ف كلذك ةيعونلا ةرارحلا ىمست ةنيعم ةيرارح ةيصاخ اهل ةدام لك نا ىلا عجري)3.13(
ى ر ـ خ ا ى ـ ل ا ةرارح ةجرد نم فلتخت ةمزاللا ةرارحلا نأف ةنيعم ةدام نيخست دنع هنا نيبي .ال ث ـ م ف سيكون مختلف (800K)الى(300K)فع درجة حرارة كمية معينة من الهواء منالحرارة الالزمة لر
تغير الحرارة النوعية بتغير درجة الحرار-))3.13شكل
حيث ان للغازات حرارتين نوعيتين ∗ في الواقع ان تعريف الحرارة النوعية هنا يثير بعض المشاكل اذن هنا ا قحال دريس امكيزاغلا ريغ داوملا لمشي فيرعتل.
ـن ه م ـ ت ر ا ر ح ة ـ ج ر د ع ـ ف ر ل ةمزاللا ةرارحلا نع(3000K)ى ـ ل ا (3500K)يـ ا ف ـ م ك
ـ. (3.14-a)شكل . متغيرة ايض (C)فإن متغيرة وبالتال (Q)ثابت اال ان(∆T)فبرغم ان ال
درجة الحرار-))3.14شكل الحرارة النوعية بزيادة زيادة
ن ي ـ ي ع ت بجي ةلاحلا هذه يفو وعلى هذا االساس سيكون للمادة عدد ال نهائي من قيم الحرارة النوعيةل (T2)الى (T1)لمدى درجات حرارة من(Cm)القيمة الوسطية او المعدل د ـ ع م ل ا ا ذ ـ ه رابتعاو
كما موضح في شكل ).3456(مساوية للمساحة) )1234حيث ان المساحة(3.14-b)كقيمة ثابتة
ل ال ـ خ نـ كما سنالحظ م إن هذا المعدل هو قيمة ثابتة تؤخذ بالحسبان في الحسابات الثرموديناميكية .ثوابت بعض القيم لبعض الغازات التي سترد في جدول الحق
ة) )3.15مغلقة بمكبس كما في شكلعند تسخين غاز موجود في اسطوانة ر ا ر ـ ح ل ا ة ـ ي م ك نإف فعند تثبيت المكبس سوف يسخن الغاز بحجم ثابت بس.تعتمد على ما يحدث للمكبس ـ ك م ل ا كرحت اذإو
ن)وزن المكبس(وأنجز شغال فسيكون بسبب تسخين الغاز تحت ضغط ثابت ا ـ ي ل ا ت ناعون كانه كلذل :للحرارة النوعية للغاز
The Specific Heat at Constant Volumeلنوعية عند ثبوت الحجمالحرارة -1
ـ(1kg)هي كمية الحرارة الالزمة لرفع درجة حرارة ج ح ل ا ت و ـ ب ث ط ر ـ ش . من الغاز درجة واحدة
تسخين الغاز بثبوت الحجم او الضغ-))3.15شكل The Specific Heat at Constant Pressureوعية بثبوت الضغطالحرارة ال-2
ت(1kg)هي كمية الحرارة الالزمة لرفع درجة حرارة و ـ ب ث ط ر ـ ش ة د ـ ح ا و ةجرد زاغلا نم : أي ا(T)كذلك فإن تغيرها يعتمد على.(Cp)رمزها.الضغط
Cp = φ (T)
*
ـ نسبة مهمة في علم ديناميك ال(Cv)الى(Cp)تعد نسبة ))γرارة يرمز لها ب
ولكن يكون صغير بالنسبة للمواد (Cv)و(Cp)اما الفرق بين للغازات كبير ال يمكن اهمالها ه س ـ ف ن يـ ال ه ث ـ م ءاملل ةيعونلا ةرارحلا نا لاقي كلذل الصلبة والسائلة بسبب معامل التمدد البطيء
ة. فتتحول جميع طاقته الى حرار(50m)يسقط ماء في شالل من إرتفاع ـ ج ر د يف عافترالا بسحاء.حرارة الماء اذا افترضت عدم تبادل اية حرارة مع المحيط ا ـ م ل ل ة ـ ي ع و ن ل ا ة ر ا ر ـ ح ل ا ن أ ـ ب ـ م ل ع
(4.2 kJ/kg.K).
PE = Q
m g z = m c ∆T
∆T =
)3.2(
ه.(100m)شالل على إرتفاعيسقط ماء من ـ ت ق ا ط ل و ـ ح ت ت هضعب عم ضرالا عم ءاملا مادطصا دنعة. منها الى الماء والباقي يذهب الى المحيط(80%)الى طاقة ينتقل ر ا ر ـ ح ل ا ة ـ ج ر د ب عافترالا بسحا
.(4.2 kJ/kg. K)علم بأن الحرارة النوعية للماء
0.8 PE = Q
0.8×m g z = m c ∆T
∆T =
)3.3(
ة (3kg)تسخن ماء كتلته(1200W)سخنة ماء كهربائية قدرتهام ر ا ر ـ ح ة ـ ج ر د نم (20°C)ى ـ ل ا
(100°C) علم بأن. ما هو الوقت الالزم لذلك
(Cw = 4.2 kJ / kg.K)
. وال يوجد فقد للحرار
)3.4(
إذا علمت. (520m)الى إرتفاع(1200m)يسقط ماء من ارتفاع ان مقداراحسب كمية الماء الساقط .(7kJ)الفقد لطاقة الوضع هو
خو ص لغ زلفصل لر بع Real or Ideal and Perfect Gasesالغازات المثالية والحقيقي-)4.1(
ل ذا فه و حال ة مثالي ة يخ ضع إن الغاز المثالي هو غاز تخيلي غير موجود في الطبيع ة :لألفتراضات اآلتية
ازات المثالي ةإن هذه القوانين تنطب ق عل ى الغ.يخضع لقوانين بويل وشارل وغايلوساك-1 ألن لهما السلوك نفسه تقريب وخصوص عند الضغوط المنخفضة ودرجات الحرارة والحقيقية
مثل االوك سجين((Permanent Gas)الدائمي(فسلوك الكثير من الغازات الحقيقية.العالية تشبه سلوك الغاز التالي بحسب ما موض ح ف ي…والهواء والنتروجين والهيدروجين الخ
الذي يبين ان سلوك الغازات الحقيقية والمثالية تكون متطابقة عن د ال ضغوط))4.1الشكل
.(373.15K)المنخفضة ودرجات الحرارة العالية
في حين ان الحرارة النوعية للغ از الحقيق ي تك ون.(C = Const.)له حرارة نوعية ثابتة-2
أيمتغيرة بتغير درجة ا لحرارةC = ∅ (T)
.
.جين والهيدروجين والنتروجين وغيره ان الغازات الحقيقية هي الغازات العادية او الدائمة كاالوكس ∗
فهي الغازات(Perfect or Ideal Gases)اما الغازات المثالية والتي تسمى ايض بالغازات الكاملة .المثالية االفتراضية
في ح ين.يبقى في حالته الغازية تحت جميع الظروف حتى عند درجة حرارة الصفر المطلق-3 كلما انخفض ضغطه ودرج ة ان الغاز الحقيقي يمكن ان يتحول الى بخار او سائل او صلب
ائلة أي نقطة التحول من الحالة الغازي ة ال ى ال س(C.P)حرارته كثير عن النقطة الحرجة الذي يبين انه) )4.2كما في شكل(a)وبالعكس ووصول درجة حرارته الى الصفر المطلق
وعند تبريد السائل يتحول الى صلب)البخا(عند تبريد الغاز )aالنقطة (يتحول الى سائل ضيا حيحص سكعلاو.
ات المثالية على الغازات الحقيقية فأن الفرق في النتائج يك ونومع ذلك نقول عند تطبيق قوانين الغاز .صغير جد يمكن اهماله في الحسابات العامة
))4.1مثا الى بخار م اء (-10°C)من الجليد وهو بدرجة(20kg)احسب كمية الحرارة الالزمة لتحويل
-:علم أ.(120°C)وهو في درجة
=2.1 kJ/kg.Kالحرارة النوعية للجليد
(hsL)الحرارة الكامنة ألنصهار الجلي* =336 kJ/kg
=1.95 kJ/kg.Kالحرارة النوعية للبخار
(hf g)الحرارة الكامنة للتبخر* =2256 kJ/kg
=4.2 kJ/kg.Kالحرارة النوعية للماء
* )Latent Heat of Liquidization(تعني الحرارة الكامنة لالتصهار))hsLان ال ال ))sوان
). liquid( تعني)L(وال) )Solidتعني *
)Latent Heat of Evaporation(تعني الحرارة الكامنة للتبخر))hf gان ال ال تعني) )fوان )fluid (لاو)g(ينعت)Gas(اخبلا لوادج نم جرختست ميقلا هذه.
Latent Heat of Liquidizationالحرارة الكامنة لألنصهار
من المادة الصلبة الى سائلة بثبوت درجة الحرارة وح دتها(1kg)هي كمية الحرارة الالزمة لتحويل(kJ/kg).اهزمرو)hsL) . (1kg(
Latent Heat of Evaporationالحرارة الكامنة للتبخر
(kJ/kg)من سائل الى بخار بثبوت درجة الحرارة وحدتها(1kg)هي كمية الحرارة الالزمة لتحويل
))hf gورمزها
)4.2(- Boyle’s Lawقانون بوي لوحظ تغ ي ر ف يمن خالل تجربة على غاز محصور في اسطوانة كتلته ودرجة حرارته ثابتة
كما ل وحظ ان حاص ل ض رب. (4.3-a)شكل(P-V)الضغط والحجم يمثل بمنحني على مخطط تباث وا يواستم ام ددع نوكي فوس ينحنملا ىلع ةطقن يأل مجحلاو طغضلا(Const.).انذ خأ اذإ ف
وتوصل الى نص قانونه المشهور عام))1627-91هذه التجربة قام بها العالم االنكليزي روبرت بويل وف ي.ضغط كمية معينة من غاز تتناسب عكسي مع حجمه شرط ثبوت درج ة الح رار):1660(
القتس م ل معي نا ك يذلا تويرام مدآ يسنرفلا ملاعلا وهو رخآ صخش نوناقلا اذه فشتكا ةقيقحلا
االنكليزي
العالم
عن
نفسه
بالوقت.
فان العالقة ستمثل بخط مستقيم يمر من (4.3-b)كما في الشكل(P . 1/V)واذا رسمنا مخطط .(Const.)نقطة االصل وبميل ثابت
ودرجة الحرارة المطلقة4.3 قانون شار
Charle’s Law and Absoulte Temperature
لوحظ تغير في الحج ممن خالل تجربة على غاز محصور ي اسطوانة كتلته وضغطه ثابت يمث ل(V)فإذا كان. (4.4-a)المبين في شكل(V-t)ودرجة الحرارة يمثل بخط مستقيم على مخطط
الحرارة (t)الحجم ثابتة (C)درجة فسيعبر عن (Vo)الميل وهو قيمة الحجم عند الصفر المئوي :هذه التجربة رياضي كما يأتي
V = C t + Vo …………. (4.2)
كما لوحظ ان امتداد الخط المستقيم يلتقي عند نقطة جديدة على محور السينات وعن دها ي صبح :القانون
V = C T ………… (4.3)
وعند اجراء التجربة على غازات مختلفة فسيكون هناك عدة خطوط مستقيمة تلتقي جميعها عن د كما في شكلالنقطة الجديدة نفسها على محور ا هذه النقطة تمثل ال صفر المطل ق.(4.4-b)سينات
لذلك ظهر المقياس الجديد لدرجة الحرارة يسمى بدرجة (4.4-c)كما في شكل(-273°C)الذي قيمته هي درجة الحرارة المسجلة من نقطة االصل(T)إن. (K)ووحدته كلفن(T)الحرارة المطلقة رمزه
هذا بالنسبة للغاز المثالي ألنه يبقى ولوحظ ان جميع الحجوم اصبحت صفر عند الصفر المطلق في حين ان الغازات الحقيقية تتحول ف ي ه ذه في حالته الغازية حتى عند درجات الحرارة الواطئة
شكل : يمكن ان نلخص ما ورد آنف بما يأت).)4.2الدرجة الى سائل ثم صلب
ف إذا.حجم كمية معينة من غاز تتناسب طردي مع درجة حرارته المطلقة شرط ثبوت ال ضغط :فسيكو)4.5(كما في شكل)2(الى))1تغير الغاز من الحالة
حيث اكتشف ثابت))1746-1823شارل.س.هذه الحقيقة توصل اليها الفرنسي جاكيوس آيومن الجدير بالمالحظة ان فرن سي.معامل التمدد للغازات الذي قاده الى هذا القانون الذي سمي بأسمه
قد اكتشف هذا االكتشاف نفسه وفي الفترة الزمنية) )1778-1850لوساك – آخر وهو جوزيف كاي حيث وضع القانون التالي :نفسها تقريب ولكن بثبوت الحجم
:أي ا. غاز تتناسب طردي مع درجة حرارته المطلقة شرط ثبوت الحجضغط كمية معينة من
المحرار او المقياس الغازي ذو الضغط او الحجم الثاب-)4.4(
ماذا يقصد.بمقادير متساوية لمقادير متساوية من درجات الحرار)او حجمه(يزداد ضغط الغازمن نقطة االنجماد الى نقطة الغليان ف إن)الحجاو ثبوت(اذا سخن غاز مثالي بثبوت الضغط.بذلك
ب
ستمثل
المئوي
المقياس
على
واحدة
درجة(1/100)
الضغ
او
الحجم
تغير
من .
إن.الثابت كمقياس لدرجة الحرار)او الحج(وهكذا يمكن استعمال المقياس الغازي ذو الضغط :نوضح ما يأت.فها غايلو ساقوانين ثبوت الضغط اكتشفها شارل وقوانين ثبوت الحجم اكتش
V = Const. قانون غايلوساك P = Const. قانون شار
)إن االشارةoالضغط (β)وان. (0°C)تعني القيمة عند( معامل (α)تمثل معامل الزيادة في
وتبين ان.الزيادة في الحج(β)
و(α)
ول رق م ثابتة ومتساوية لجميع الغازات كما موضحة في ج او(ثابت فإن حجم)او حج(من المعادالت اعاله تبين انه عند ضغط.(1/273)وهي تساوي)4.1(. عندما تزداد درجة حرارته درجة واحد(1/273)الغاز يتغير بنسبة)ضغط
(لذلك يمكن استعمال أي قانون من هذين القانونين لعمل محرار غازي سواء بضغط بحج )او
.ثابت
مه يكون صفر عند ال صفروقد وجد ان حج.إن الغاز المثالي يبقى غازي تحت جميع الظروف
المطلق(t=-273)
أ :
:والحجم الجديد عن تسخين الغاز يساوي
:اما الحجم الجديد عند تبريد الغاز فيساوي
The General Equation of Perfect Gasالمعادلة العامة للغاز المثالي-)4.5(
عرض كتلة معينة من غاز الى تغي رقد ت.(Equation of State)تسمى ايض بمعادلة الحالةلذلك ال يمكن تطبيق قانون بويل ال ذي ي شترط.في الضغط والحجم ودرجة الحرارة في وقت واح
وال قانون شارل الذي يشترط ثبوت الضغط عندئذ نحتاج الى قانون او معادل ة.ثبوت درجة الحرارة .جديدة تربط العالقة بين هذه المتغيرات
يتبين ان هناك عدد ال نهائي (4.6-a)كما في شكل)2(الى))1حالة الغاز منفعندما تتغير .من المسالك يربط بين الحالتين
نفت رض ان.(4.6-b)ولكن يجب ان نختار مسلك يستند الى قانوني بويل وشارل كما في شكل وحصول)P2 V2 T2(نهائيةوالحالة ا))P1 V1 T1خواص الحالة االبتدائية لكتلة معينة من غاز
ام ا المرحلت ان.(A)يكون على مرحلتين متعاقبتين بينهما حالة متوسط مثل)2(الى))1التغير من
فهما:-
:عندئذ بموجب قانون بويل يكو. بثبوت درجة الحرار(A)الى))1تغير الحالة من-1
P1V1 = PA VA = P2VA
-:عندئذ بموجب قانون شارل يكو.بثبوت الضغ) )2الى(A)تغير الحالة من-2
))4.14وبتعويض المعادلة :يكو))4.13ب
:فيكو) ال… )3 4وبأعادة ترتيب هذه المعادلة وعند وجود تغيرات اخرى لنفس كتلة الغاز مثل
أي الحجم النوعي عندئذ (1Kg)تمثل حجم(ν)وعندما يكون : يكو من الغاز
: ونسميه ثابت الغاز الذي يختلف من غاز آلخر عليه يكو (R)بالرمز(Const.)يرمز لهذا الثابت
: من الغاز فيكو(m)اما بالنسبة لكتلة
PV = m R T ………. (4.19)
وفيه ا يج ب.هذه المعادلة تسمى بالمعادلة العامة او القانون العام للغازات او معادلة الحال ة .مال الضغوط المطلقة ودرجة الحرارة المطلقاستع
.إن قوانين الغازات ليست سهلة تمام كما اوضح كل من قانوني بويل وشارل للغازات المثالي ة
ر – وللغازات الحقيقية معادالت حالة اكثر تعقيد من المعادلة المذكورة آنف كمعادلة بيتي ديت بركمان
ومعادلة فان بير ثيلوت هذه المعادالت تبين ان هناك قوانين غي ر ق وانين الغ از.ير والزيشيفم ثال بالن سبة.ولكن بعد تبسيط كل هذه المعادالت تتحول الى معادلة الحالة للغاز المث الي.المثالي
:لمعادلة فان دير والز
: تساوي صفر فتصبح المعادل (b)و(a)وعند
(P + O) (ν - O) = RT
Pν = RT ………. (4.21)
قيمته (Gas Constant)هو ثابت الغاز كما اشرنا(R)إن ويسمى ايض بالثابت المميز للغاز : كالتال (R)فستكون وحدات(mkg)وعندما تكون.تختلف باختالف الغازات
Enthalpyاالنثالبي-)4.6(
أستبدلت تسميته بالمحتوى الحراري او . الطاقة المحملة او االنث البيكان يدعى بالحرارة الكلية
هي م ن خ واص (Pν)والضغط والحجم الذي يكون حاصل ضربهما الشغل(µ)ان الطاقة الداخلية وعند جمع هذه الخواص تظهر خاصية جديدة تسمى باالنثالبي رمزه )kJ(ووحدت ه))Hالمادة .ام
علم.أوجد الضغط النهائي وأهمل حجم الحاجز.ساوي الضغط في جميع اجزائهبين الجزئين بحيث . :R=0.25 kJ/kg.Kأن
)) :6.658 barج
)4.2(
(0.5mحجمه.خزان مغلق3فإذا كانت. (25°C)ودرجة حرارته (0.75kg)يحتوي على غاز كتلته(
إذا)2. ((mmHg)ر بوح داتق راءة الم انومي)) :1اوجد ما يلي.(1bar)قراءة الباروميتر هي علم .ايض (mmHg)كم ستصبح قراءة المانوميتر بوحدات(15kJ)أضيف للغاز حرارة مقدارها :بأن
فإذا رفع العازل الحراري بين الحيزين وترك النظام الى ان إتزن حراري بحي ث اص بحت.بالشكل(Cp)جد الحرارة النوعية بثبوت ال ضغط. (B)(60.19°C)والحيز(A)درجة الحرارة في الحيز
The First Law of Thermodynamicsالقانون األول لديناميك الحرارة -)5.1(
ـن الذي وجد م من القوانين المهمة التي يعتمد عليها هيكل ديناميك الحرارة هو القانون األول يتناول كل أشكال الطاقة ةخالل تجربة االنسان وخبرته ر ا ر ـ ح ل ا اهيلكشب ةلقتنملا ةقاطلاك في الطبيعة
والطاقة المخزونة بكل أشكاله ى وال.والشغل ـ ن ف ت ال ةقاطلا هو صيغة من صيغ قانون حفظ الطاقة فمتى ما اختفى شكل من أشكال الطاقة ظهر ل.شكل آخرتستحدث غ ش ـ ل ا ت ا ـ ي م ك بسحن هتطاسوب
مثال الشغل الناتج من تمددوالحرارة المنتقلة عبر حدود النظام عندما تحدث تغيرات معينة في الحالةط غ ـ ض دنع راخب ديلوتل ةمزاللا ةرارحلا وا الشغل الالزم لضغط هواء في ضاغط بخار في توربين
.معين داخل المرجل
ى ـ ل ا ـ ي ل ك ل غ ش ـ ل ا ليوحت نكمي هنا حضوا ذإ لقد اهمل القانون االول نسبة التحول واالتجاهاحرارة باال ن ت ـ س ا ر د د ـ ن ع ظ ح ال ن ـ س ا ـ م ك حتكاك ولكن من المستحيل تحويل الحرارة كلي الى شغل
.للدورات الحرارية
Joule’s Experimentتجربة جول-)5.2(
ة ر ا ر ـ ح ل ا ن ي ـ ب ة ـ ي م ك ل ا ة ـ ق ال ع ل ا داجيأل لوج ةبرجت يه نوناقلا اذه ترقا يتلا براجتلا نم والتي تلخص كما يأتي :والشغل
فإذا هبط الوزن.من وعاء مغلق معزول يحتوي على مائع))5.1ا في شكليتكون الجهاز كم(m)ةفاسم (Z)ام الغش نأف (Win)ةقالعلا بسحب بسحي عئاملا ىلع زجني فوس (mgz)عفترتسف
ع.درجة حرارة المائع ئ ا ـ م ل ا ةرارح ةجرد تداعف ابعدت المادة العازلة ووضع الوعاء في حوض ماء
ر(Qout)ة بعد إنتقال كمية من الحرارةالى قيمتها االصل ا د ـ ق م لالخ نم بسحت ءاملا ىلا عئاملا نم يتناسب مع(Win)اكتشف جول ان الشغل.بذلك يكون النظام قد مر بدور.إرتفاع درجة حرارة الماء
: أ(Qout)كمية الحرارة
Qout α Win
Qout = Win .وللوحدات نفسها
: عندما تمر بدوره فإوبصورة عامة لألنظمة المغلقة
.تمثل المعادلتان المذكورة انف التعبير الرياضي للقانون االول لنظام مغلق يمر بدوره
ة(J)حيث تمثل). )5.2طردية بحسب الشكل (Q)و(W)ولوحظ ان العالقة بين ـ ت ب ا ث ةميق ات عندما يكون الشغل بوحدات الجول(4.2kJ/kcal)تسمى بمكافئ جول وتساوي د ـ ح و ب ة ر ا ر ـ ح ل ا و
(kcal)قباس ناك امك .
The First Law Statementصيغ القانون االول-)5.3(
ة ـ ق ل غ م ل ا ة ـ م ظ ن ال ا يف لغشلاو ةرارحلا نيب ةقالعلا تحضوا لوج اهيلا لصوت يتلا جئاتنلا نا :يعبر عنها بالصيغ التالية
: مروره بسلسلة من االجراءات فإعندما يمر النظام بدوره أي يعود الى حالته االبتدائية بعد
ـ.تتحول الحرارة كلي الى شغ - أ .(Q=W)فلنفس الوحدات يعبر عنها رياضي ب
ة ذات ـ ن ك ا م ل ا ب ىمستف ةرارحلا نم رثكا لغش يطعت وا ئش ال نم لغش يطعت ةنكام ترهظ اذان االولالحركة و ن ا ـ ق ل ا عم ضراعتت اهنأل ك. االبدية او السرمدية من النوع االول المستحيلة الصنع ل ذ ـ ل
:ظهرت الصيغة التالية للقانون االول
".ال وجود لماكنة ذات حركة ابدية من النوع االو"
Energy Equationمعادلة الطاقة-)5.4(
معادلة مهم عهي التعبير الرياضي عن القانون االول ـ ي م ج يـ ة ف ـ م ا ع ة ر و ص ـ ب لمعتست دج ةل).عملية ساكنة(العمليات الثرموديناميكية التي تمر بجزء من دوره ال ـ خ نم ماظنلا صاوخ تريغت اذإف
ة ـ ن و ز خ م ة ـ ق ا ط لكش ىلع ماظنلل ةديدج ةيصاخ رهظتسف (Stored Energy)تحركه او تغير موضعه
.(∆Ese)كميتها ثابتة يرمز لها بالرمز
ر)2(الى))1ح ذلك نفترض وجود نظام تتغير حالته منولغرض توض ا س ـ م ل ا ربع(A)مـ ث ).5.4(وكما في شكل. (C)او(B)عبر المسار)1(الى))2يعود الى حالته االصلية من
:استناد الى القانون االول في االجراءات الدورية فإن
او (B)ثابتة عبر مسارات العودة(Q-W)ية ان القيمةيتضح من خالل هذه المناقشة الرياض(C)رخآ راسم يأ وا .نم ماظنلا ةلاح ريغتت امدنع نذا)1(ىلا)2(نإف(Q-W)ر ـ ب ع ةتباث نوكت
ألن طريق العودة ثابت مهما اختلفت المسارات(A)المسار ة. او أي مسار آخر ـ ت ب ا ث ل ا ةميقلا ناف اذل(Q-W)
ل
جديدة
خاصية
تمثل
تعرف
والنهائية
االبتدائية
الحالة
على
وإنما
المسار
على
تتوقف
ال
ـ نظام يرمز لها ب ر(∆Ese)بالتغير في الطاقة المخزونة او الطاقة الكلية للنظام ـ ي غ ت ب ريغتت (Q-W)يأ :ان
Q – W = ∆Ese ………… (5.5)
ى تمثل خاصية جديدة للنظام ال تتوقف ع(Q-W)لذا فإن القيمة الثابتة ـ ل ع ا ـ م ن إ و راسملا ى تعرف بالتغير في الطاقة المخزونة او الطاقة الكلية للنظا ـ.الحالة االبتدائية والنهائية ـ ا ب ـ ه ل زمري
(∆Ese)ريغتب ريغتت (Q-W)أ :
Q – W = ∆Ese = ∆U + ∆KE + ∆PE ……….. (5.6)
ة ـ ق ا ط ل ل ةماعلا ةلداعملا مسا ةلداعملا هذه ىلع قلطي(The General Energy Equation).
ين)أي العمليات الساكنة(فإذا طبقت على االنظمة المغلقة التي تمر بجزء من دورة ت ق ا ـ ط ل ا ل م ه ت س ـ ف :الحركية والكامنة وتصبح المعادلة العامة كاآلتي
Q – W = ∆U ………. (5.7)
وانما يتحول جزء منها لزيادة الطاقة ال تتحول كلي الى شغل الداخليةأي ان الحرارة الداخلةا(Non-Flow Energy Equation)هذه المعادلة تسمى بمعادلة الطاقة الالجريانية.للنظام ـ ه ل زمري
(NFEE).
ـ : كما يل(NFEE)اما بالنسبة للعمليات شبه الساكنة فتصبح ال
dQ – dW = dU ……… (5.8)
ـ(∆U=0)وعندما يمر النظام بدوره فإن أ الى (NFEE)لذا ستتحول ال :انون جول
Q = W ………. (5.9)
العمليات شبه الساكن-)5.5(ة ن ك ا ـ س هبش وا ةنكاس نوكت نا اما ةيلمع يف ةرود نم ءزجب ةمظنالا رمت.ن و ـ ك ت ةن ك ا س ـ ل ا ف
الثم ةيئاهنلاو ةيئادتبالا نيتلاحلا نيب ةددحم)U W Q(ة ـ ل ا ح ل ا ر ـ ي غ ت اهيف نوكيف ةنكاسلا هبش اما الصغير جد ويتم بغ ث ـ م ة ي ل ـ ض ا ف ت ةغيصب اهنع ربعي ةقاطلا يف عايض اهبحاصي نا نود نم أطبلا ةي)dU dW dQ.(
ة او ـ م ا ت ر ي ب ا ـ ع ت ب ل ـ ث م ي ة ي ـ ص ا خ ل ل نيتميق نيب ددحم قرف يطعي ةيصاخلا لضافت لماكت نإ : مثال(Exact)مضبوطة
بتعابير غير تامة او غيراما تكامل تفاضل الكمية فيعطي كمية محددة للحرارة او الشغل يمثل : فمثال(Inexact)مضبوطة
∫dQ = Q and ∫dW = W …….. (5.11)
ففي العمليات التي يكون فيها تغير الحالة. على الكميات المتناهية في الصغر(d)تدل االشارة أي فتكتب المعادلة بصورة تفاضلية :صغير جد في الحرارة والشغل وال يصاحبها ضياع
dQ – dW = dU
أي :وعند تكامل هذه المعادلة نحصل على معادلة الطاقة
∫dQ - ∫dW = ∫dU∴ Q – W = ∆U ……. (5.12)
ات د ـ ع م ل ا ضعب ميمصت يف اهتفرعمل جاتحن يتلا ةسيئرلا ميقلا نم لغشلا وا ةرارحلا ةيمك نإة ـ ـ ي ر ا ر ح ل ا تال د ا ـ ـ ب م ل ا ل ـ ـ ث م (Heat Exchangers)تا ر ـ ـ خ ب م ل ا (Evaporators)طغ ا و ض ـ ـ ل ا
ر ـ ه ظ ت ف يرود ر ـ ي غ ء ا ر ـ ج ا يـ أي انه عند إنتقال الحرارة والشغل عبر حدود نظام مغلق فة ـ ي ل خ ا د ل ا ة ـ ـ ق ا ط ل ا ب ى م س ـ ـ ت ة ي ـ ص ا خ .اعملا ه ذ ـ ـ ه ى م س ـ ت ف د ـ ـ ت ل ا ة ـ م ي د ع ة ـ ـ ق ا ط ل ا ة ـ ل د ا ع م ب ة ـ ـ ل
(Non-Flow Energy Equation).
2-بلاغ ىمست ةجيتنلا هذه الطاقة الداخلية لنظام مغلق تبقى ثابتة اذا كان النظام معزوال عن محيطه
الطاقة
حفظ
بقانون.
ةأي ان اآللة التي تنتج شغال بصو.إن آلة الحركة ذاتية الطاقة من النوع االول مستحيلة-3 ر م ت س ـ م
.بدون ان تمتص طاقة من محيطها وتسمى آلة الحركة ذاتية الطاقة تكون مستحيلة الصنع
Internal Energy or Joule's Lawالطاقة الداخلية او قانون جول-)5.7(
ة ـ ق ال ع ل ل ع ض ـ خ ت يأ [µالطاقة الداخلية للغاز المثالي تابع لدرجة الحرارة فقط = ∅ (T)] لذا تسمى هذه العالقة بقانون جولوهذا ما حققه جول ة. من خالل تجربته التالية ـ ب ر ج ت ل ا ح ر ش ـ ن س و
اآلتية
بالنقاط
ونتائجها:-
ا-1 ـ م ه ن ي ب غرفم يناثلاو هصاوخ ةسارد دارملا زاغلا ىلع امهدحا يوتحي نيضوح نم زاهجلا فلأتي كما في شكل ).)5.5صمام
.تقاس درجة حرارة الغا-2
.اتي عن طريق فتح الصمام بحيث يمأل الغاز الحوض المفريسمح للغاز بالتمدد االديا-3
.وعندما يحدث التوازن الجديد تقاس درجة الحرارة مرة ثاني-4
إذن-5 إذن(W = 0)وبما أن التمدد حر ن االول (Q = 0)والتمدد ادياباتي و ن ا ـ ق ل ا نم جتنتسن اذل
ان:
Q – W = ∆U
∆U = 0
لداخليتجربة جول الطاقة -))5.5شكل
.برغم تغير الضغط والحجم النوع)2(و))1أي انه ال يحدث تغير في الطاقة الداخلية بين الحالتين
يمكننا ان نستنتج ان الطاقة الداخلية تابعه لدرجة-6 فإذا وجدنا انه لم يحدث أي تغير بدرجة الحرارة تبقى الطاقة الداخليةأي انه بصرف النظر عما يحدث للضغط والحجم من تغير.الحرارة فقط ت
.ثابتة ما لم تتغير درجة الحرارة
ه -7 د ـ ع ب و د د ـ م ت ل ا ل ـ ب ق ءاملا ةرارح ةجرد ساق مث قام جول بتغطيس الحوضين في مستودع ماءل ان و ـ ق ل ا نـ ه م ـ ن ك م امم ضيا ريغتت مل ةرارحلا ةجرد نا جتنتسا وعندما لم يالحظ أي تغيير
[µ = ∅ (T)]قب ةقالعلا هذه ىمستو وج نون.ـ ـ ومن تعريف الحرارة النوعية بثبوت الحجم ل(1 kg)إف زاغ نم :
dµ = Cv dT
:وبصيغة تكاملية يكون
∆µ = Cv ∆T ………. (5.14)
ةنستنتج من ذلك انه عندما يكون المائع غاز كامال فإن الطاقة الداخلية تابع ر ا ر ـ ح ل ا ة ـ ج ر د ل
ب.خزان يحتوي على مائع يقلب بوساطة عجلة قالبة ال ـ ق ل ا ةلجعل فورصملا لغشلا(5283 kJ/hr) احسب التغير. معتبر المنظومة هي الخزان والمائ(1672 kJ/hr)تنتقل الحرارة من الخزان بمعدل
في الطاقة الداخلية للمنظومة خالل ساعة واحدة
∆U = Q – W = – 1672 – (–5283) = 3611 kJ/hr
)5.3(
ا ـ ه ع ط ق م ةحاسم ةناوطسا لخاد دوجوم كرحتم سبكم(0.1m2)ه ط غ ـ ض ر و ص ـ ح م ء ا و ـ ه ا ـ ه ي ف
(1.5bar)هترارح ةجردو (17°C).ادصلا قطانمب مدطصا نا دعب سبكملا عفتراو ءاوهلا نخس.مثاحسب درجة.فإذا اهملنا سمك المكبس.سخن بعد ذلك الى ان اصبح ضغطه ضعف الضغط االبتدائي
.الحرارة النهائية والشغل المنتقل
)5.4(
واعطى شغل(100kJ)رهافي اثناء ذلك استلم حرارة مقد).2(الى))1نظام مغلق تغيرت حالته مناحسب الحرارة.(80kJ)بذل عليه شغل مقداره)1(الى))2عند إعادة النظام من.(150 kJ)مقداره
وبين إتجاهها)1(الى))2المنتقلة في اثناء االجراء من ∑ Q = ∑ W
ز ا ـ غ ل ا دقفي نيعم ءارجا ءانثا يف ـن(1055kJ)اسطوانة مغلقة بمكبس متحرك تحتوي على غاز مء. احسب الشغل المنتقل وما هو اتجاهه(210kJ)الحرارة وتزداد طاقته الداخلية بمقدار ا ر ـ ج ال ا لهو
.المذكور تمدد ام انضغط
Q – W = ∆U
–1055 – W = 210 ⇒ ∴ W = –1265 kJ
)5.8(
م(0.5kg)في نظام مغلق يتم تبريد ـ ج ح نـ ت م ـ ب ا ث ط غ ـ ض ت ـ ح ت ءاملا راخب نم (3m3ى( ـ ل ا
(0.028m3ر.( ا د ـ ق م ب ء ا ر ـ ج ال ا ءانثا يف ةقاطلاب لاقتنالا ناك ول(900kJ)ة ر ا ر ـ ح لك ى ش ـ ل ع
ـ. على شكل شغل(81.6kJ)و ة(bar)اوجد الضغط بوحدات ال ـ ي ل خ ا د ل ا ة ـ ق ا ط ل ا ب ر ـ ي غ ت ل ا بسحاو .النوعية
(2 kg)نـ من مائع في نظام مغلق يتعرض لعملية ثبوت الحجم تزداد خالله الطاقة الداخلية النوعية م(120 kJ/kg)ىلا (180 kJ/kg).تادحوب ةرارحلا ةيمك بسحا(kJ).
q = ∆ µ = 180 – 120 = 60kJ/kg
Q = m×q = 2×60 =120 kJ
)5.10(
ة(75 kJ/kg)كان مقدار الشغل المبذول على ضغط شحنه داخل اسطوانة محرك هو ر ا ر ـ ح ل ا رادقمو .اوجد مقدار التغير في الطاقة الداخلي.(42 kJ/kg)ودة الى المحيطالمط
∆ µ = Q - w = (-42) – (-75) = 33 kJ/kg
)5.11(
د.(3 bar)اسطوانة تحتوي على غاز مغلق بمكبس ال إحتكاكي وزنه يحدث ضغط مقداره ر ـ ب ي امدنع
ن ـ ـ م ه ـ ـ م ج ح ل ـ ـ ق ي ز ا ـ ـ غ ل ا (0.1 m
3
ى( ـ ـ ل ا (0.03 m
3
ن( ـ ـ م ة ـ ـ ي ل خ ا د ل ا ه ـ ـ ت ق ا ط د ا د ز ـ ـ ت و (4.18 kJ)ىلا (16.72 kJ).يتلقتنملا ةرارحلاو لغشلا بسحا.
W = P∆V = 300 (0.03 – 0.1) = -21 kJ
Q = ∆U + W = (16.72 – 4.18) + (-21) = -8.46 kJ
)5.12(
(2mاحد الجزئين بحجم.خزان معزول مكون من جزئين يفصل بينهما حاجز3ط( غ ض ـ ب ءاوه يوحي
(5 bar)ةرارح ةجردو (300K)مجحب نازخلا نم يناثلا ءزجلاو (5m3 رفع الحاجز بين الجزئين(
.الشغل المنجز على الهواء)) :1احس.واء نظام حرارياعتبر اله.وتمدد الهواء لملء الخزان بأكملهدرجة الحرارة والضغط في نهاية)4. (التغير في الطاقة الداخلية)3. (الحرارة المنتقلة من النظا)2(
.(γ=1.66)فإذا علمت ان.(5kJ)غاز يتمدد عند ثبوت الضغط حيث ينجز في اثناء ذلك شغال مقداره
:احسب
.التغير في الطاقة الداخلية للغا)2(كمية الحرارة المنتقلة في اثناء التمدد واتجاهها)1(
)) :12.57 kJ 7.57ج
)5.2(
موجود في اسطوانة عمودية فوقه مكبس عديم االحتكاك(0.5kg)غاز كتلتهلاالسطوانة موضوعة في خزان م.(1kg)كتلته ك ش ـ ل ا يف حضوم امك ءا.
ء(1kW)السخان يعطي قدرة حرارية للماء بمعدل ا ـ م ل ا ك ـ ي ر ح ت ةحورمو
ي.(0.1kW)تعمل بقدرة مقدارها و ا س ـ ت وجلل ءاملا نم ةحورطملا ةرارحلا د. من الطاقة المضافة(10%) ـ ع ب ء ا ـ م ل ل ةيلخادلا ةقاطلا يف ةدايزلا يه امة د ـ م ل ةحورملاو ناخسلا ليغشت(20 min.)او ا ـ ه ل ال خ سب ـ ك م ل ا ع ـ ف ت ر ا ا
)20cm(رادقمب زاغلل ةيلخادلا ةقاطلا تدادزإو(10kJ).ة ء ا ر ـ ق نأ ـ م ل ع .(1.01 bar)البارومتر
)) :1177.364 kJج
)5.3(
ا)1: (إجراءا))3غاز يمر في دورة تتكون من ه ر ا د ـ ق م ة ر ا ر ـ ح زاغلا هيف ملتسي ءارجإ(500kJ)
ة(140kJ)اء يستلم فيه الغاز شغل مقدارهإج)(320kJ)) .2ويعطي شغل مقداره ر ا ر ـ ح ي ـ ط ع ي و
.جد التغير للطاقة الداخلية في االجراء االديابات.إجراء اديابات)(200kJ)) .3مقدارها
)) :-120kJج
)5.4(
القدرة.(320 000 kJ/hr)ورشة تحتاج للتدفئة في الشتاء حيث تكون الخسائر الحرارية نحو المحيط
ا))20ويوجد كذلك.(25kW)غيل المكائن في الورشةالالزمة لتش ـ ه ن م لـ ة ك ر د ـ ق ءاضم حابصم(100W).ةتباث ةشرولا لخاد ةرارحلا ةجرد ىلع ظافحلل ةعاسلا يف هقرح مزاللا دوقولا ةلتك بسحا.
مل. من طاقة الوقود تدخل الورشة لتدفئته(85%)إذا علمت ان ع ت س ـ م ل ا د و ـ ق و ل ل ةيرارحلا ةميقلا نإ(40 MJ/kg).
(0.1mاسطوانة مزودة بمكبس فيها نتروجين بحجم3. (150 kPa)وضغط (25°C)ودرجة حرارة(
ة(1MPa)تحرك المكبس ضاغط النتروجين حتى وصل الضغط ر ا ر ـ ح ةجردو (150°C).ل ذ ـ ب و
مقداره
االنضغاط
اثناء
في
الغاز
على
شغل(27.8 kJ).
الحر
كمية
طاحسب ا غ ض ـ ن ال ا
اثناء
المنتقلة
رة :علم بأ.واتجاهها وكذلك احسب حجم الغاز النهائي
Cp = 1.04 kJ/kg . K γ = 1.4
) :0.0213 mج3 -12.06 kJ(
)5.6(
ة ـ ق ال ع ل ا ب ـ ج و م ب همجحو هطغض ريغت دقو مائع في اسطوانة ومكبس تعرض ألجراء بدون إحتكاك
(P = a + bV)نا ثيح a) (bباوث .ب س ـ ح ء ا ر ـ ج ال ا لالخ ةموظنملل ةيلخادلا ةقاطلا تريغتو (Uحيث(U = 34 + 3.15 PV)العالقة ≡ kJ) (P ≡ kN/m2) (V ≡ m3).ط غ ض ـ ل ا ن ا ـ ك اذإ
(170 kPa) (0.03 mوالحجم في بداية االجراء 3ء( ا ر ـ ج ال ا ةياهن يفو (400 kPa) (0.06 m
3)
ل و(P-V)ارسم االجراء على مخطط.على التوالي ال ـ خ لغشلاو ةرارحلا نم لك هاجتاو ةميق بسحا .االجراء
)) :8.55 kJ 68.05 kJج
)5.7(
يحتوي الحيز يرارح لوزعم ماظن يف(a)همجح يذلاو (0.5m3)ه ـ ت ل ت ك ء ا و ـ ه ى ـ ل ع (0.5kg)
(0.25mالذي حجمه (b)ويحتوي الحيز(1.35bar)وضغطه 3ه (1kg)على هواء كتلته( ط غ ـ ض و
ع)بدون إحتكاك( هواء مغلقة بمكبس حر الحركة(100g)اسطوانة شاقولية تحتوي على ا ـ ف ت ر إ ىلع(50cm).رتمورابلا ةءارق تناك(1 bar):
أ -
مقدارها
حرارة
اضيفت(5.95kJ)
الحرارة
درجة
وأصبحت (103°C)
ى ـ ل ع
بس ـ ك م ل ا
واصبح
. ضغط الهواء قبل إضافة الحراراحس.وشك الحركة
احسب كمية الحرارة المضافة .(50cm)اذا استمرينا في إضافة الحرارة الى ان يرتفع المكبس -ب الضغط المقاس للهواء الفرق في الطاقة الداخلية ط.الشغل المنتقل ـ ط خ م ىلع تاءارجإلا مسرا
(P-V)أب ملع:
Cp = 1.005 kJ/kg.K . Cv = 0.717 kJ/kg.K
)) :0.861 bar 37.79 kJ 10.829 kJ 26.96 kJج
)5.10(
ى. من غاز مثالي(0.2kg)نظام مغلق يحتوي على ـ ل ا يبورتلوب طغض(100°C)ء ا ـ ن ث ا في ـ ض ا و
ت.(5.3kJ)وطرحت حرارة مقدارها.(19.7kJ)االنضغاط شغال مقداره ـ ن ا ك اذإف(γ=1.4)د ـ ج و ا
ـي ث ف د ـ ح ت يتلا تايلمعلا يه ةقلغملا ةمظنألا تاءارجإ انل حضوت يتلا ةيعقاولا ةلثمالا نم فيدخل المائع الى داخل االسطوانة يبقى فيها حب تم خاللها لفترة اسطوانة محرك االحتراق الداخلي
وبعد ذلك تتولد الطاقة الحرارية فيتمدد المائع دافع المكبس فينجز شغال.ضغط المائع بوساطة المكبس يجراخ.
لوحظ في اثناء ضغط المائع وتمدده تتحقق العملية الالجريانية التي يمكن ان تكون فيها الحدودصالتي تفصل النظام المغلق عن محيطه ليست بالضرورة ثاب ل ق ت ـ ت وا د د ـ م ت ت ا م د ـ ن ع ة ر ـ ي غ ت م لب ة
.لتستوعب التغيرات في حجم كمية المائع الثابتة
:إن معادلة الطاقة في هذه العملية هي
Q – W = ∆U
ـ : من غاز فإ(1kg)وبالنسبة لq – w = ∆µ …….. (5.15)
جراءات التيهذه المعادلة التي سنعتمد عليها في اغلب الفصول القادمة تتغير بحسب نوعية اال :تتميز بما يأتي
مع إنتقال الحرارة عبر الحدو-1 .بقاء الحجم او الضغط او درجة الحرارة ثابتة
.إنتقال الحرارة يساوي صفر-2
بحيث يكون خاضع للعالقة-3 (Pνتغير الضغط والحجمn = C.).
ءويع.إن أغلب االجراءات الالجريانية العملية تقترب من احد هذه االجراءات ا ر ـ ج ا لـ لج كل.على فرض ان المائع اما ان يكون بخار او غاز كامال و ا د ـ ج ل ا م ع ت ـ س ا ب ـ ج ي ر ا ـ خ ب ل ل ةبسنلابو ومع ذلك تؤجل دراسته الى المرحلة الثانية ل.الخواص ـ ي ل ح ت ل ا ا ـ ن ن ك م ي ف لـ م ا ك ل ا ز ا ـ غ ل ل ةبسنلاب اما
وسنستعمل الهواء كمثال على الغاز الكامل :مع استعمال الثوابت اآلتيباستعمال العالقات الجبرية
تطبيقات القانون االول على االنظمة المغلقة-)5.9(Application of the First Law of Thermodynamics on the Closed System
ات ء ا ر ـ ج أل ل ة ـ ص ا خ ت ال ا ـ ح ر ـ ب ت ع ت تايلمع يف قلغم ماظن يف دوجوملا زاغلا ةلاح ريغتت :مليات بالنسبة لوحدة كتلة من غاز مثالي هالالجريانية وهذه الع
Constant Volume Processعملية ثبوت الحجم-)5.9.1(
باألجراء االيزوميري او االيزوكوري ضيا ىمست(Iso-Choric)ى ـ ل ا ةرارحلا لاقتنإ دعبف ة فسيكون مسار(Cv)نظام مغلق متكون من وعاء معدني مملوء بغاز مثالي حرارته النوعية ـ ي ل م ع ل ا
. (5.6-a)عبارة عن مستقيم عمودي كما في شكل(P-V)على مخطط)2(الى))1من
: لذا يكو (dV=0)وبالتالي فإن(V1-V2)وحيث ان حجم الوعاء ثابت فإن
Constant Temperature Processعملية ثبوت درجة الحرارة-)5.9.3(
ق.(Isothermal)تسمى ايض باالجراء االيزوثرملي ـ ل غ م م ا ـ ظ ن ى ـ ل ا ةرارحلا لاقتنإ دعبف. جد داخل االسطوانةمتكون من غاز مثالي يحتفظ بدرجة حرارة ثابتة بواسطة حركة المكبس البطيئة
ن ي ـ ب
ن ا ـ ك م
كل
في
وتنتشر
االسطوانة
جدران
خالل
بالسريان
للحرارة
كاف
وقت
هناك
يكون
ة.الغازوهكذا ع ر ـ س نا ثيح ولهذا السبب ال ينطبق هذا االجراء على محركات االحتراق الداخلي الحديثةدج ةيلاع تاكرحملا هذه.
ـي(P-V)خططعلى م)2(الى))1إن مسار العملية من ح ف ـ ض و م امك عبارة عن منحني : فسيكو(T1=T2)وبما ان.(5.7-a)شكل
.:Pν = Constمعادلة الحال - أ
:الشغل االزاح -ب
Or
1
211
1
2 LnP RTLnd
RTPdvwνν
ννν
=νν=∫ ∫
: التغير في الطاقة الداخلي-ج
: عند تطبيق القانون االو-د
Adiabatic Processالعملية االدياباتية-)5.9.4(
وتتم في اسطوانة محرك معزولة هي العملية التي تتغير فيها حالة الغاز دون تبادل حراري
ا ـ م ن ي ب .يتمدد الغاز ويقوم بعمل خارجيبحيث ال تنتقل حرارة خالل جدران االسطوانة المعزولة والمجهزة بمكبس معزول ال إحتكاكي
لهذه الحالة غير موجودة فعال ولكن عندما يحدث د ا ـ ب ت ل ل فاك تقو دجوي ال عيرس ءارجالاد.الحراري بين الغاز والمحيط عبر جدران االسطوانة د ـ م ت ل ا و طاغضنالا ةيلمع وه كلذ ىلع لاثمكو
ة ـ ي ن م ز ل ا ة ر ـ ت ف ل ا ل ال ـ خ يفف في محرك االحتراق الداخلي التي يمكن اعتبارها تقريب عملية ادياباتية
متس ا ـ ظ ن ل ا صاوخ نوكت امدنع ثدحي ى ايض باألجراء العام او متعدد االنحناء او المناخيكل(P-v)يمثل بمنحني على مخطط.كالضغط والحجم ودرجة الحرارة متغير . (5.8-a)كما في ش
ق و ـ ف ع ـ ق ي يلمرثوزيالا ءارجالا ينحنم نا ذإ هو إجراء يقع بين االجرائين االيزوثرملي واالدياباتي كما في شكل ة.(5.8-b)منحني االجراء االدياباتي والبولتروبي بينهما في حالة التمدد ـ ل ا ح يـ اما ف
ات(5.8-b)إن خطوط ومنحنيات اجراءات التمدد في شكل.االنضغاط فيكون العكس ء ا ر ـ ج ا س ـ ك ع
ـ )2. ( (2 kJ)الى النظام مع إنتاج شغل(8 kJ)انتقال حرارة )1: (اجراءا))3نظام مغلق يمر ب
ه)) .3اجراء ادياباتي ر ا د ـ ق م ماظنلا ىلع لغش لذب(3kJ)ـ ـ ل ا تض ـ ف خ ن إ ث ـ ي ح ب (∆U)ر ا د ـ ق م ب
(2 kJ).سحا:
1-∆Uييلوالا نيئارجألل .
. الحرارة المنتقلة في االجراء االخي-2
. الشغل في االجراء الثان-3
∆U12 = Q12 – W12 = 8-2 = 6 kJ
Q31 = W31 + ∆U31 = -3 + (-2) = - 5 kJ
Q12 + Q23 + Q31 = W12 + W23 + W31
8 + 0 + (-5) = 2 + W23 + (-3)
∴ W23 = -4 kJ
∆U23 = Q23 – W23 = 0-4 = -4 kJ
تنخفض
)5.14(
(0.85 mاسطوانة سعتها3 (275 kN/mتحتوي على غاز ضغطه(
2ه( ـ ت ر ا ر ح ةجردو (15°C).اذإ
ة. من الغاز نفسه الى االسطوانة(1.6kg)اضيف ر ا ر ـ ح ل ا ة ـ ج ر د حبصت امدنع طغضلا حبصيس اذام(15°C)ملا كلذك بسحإ ة مرة اخرى ـ ي ئ ا ه ن ل ا و ة ـ ي ئ ا د ت ب ال ا ةلاحلا يف زاغلل يعونلا يرارحلا ىوتح.
(0°C)فوق الصفر المئوي ر ف ـ ص ة ـ ق ا ط ل ا ا ه د ـ ن ع نوكت يتلا ةيساسالا ةرارحلا ةجرد يه يتلاو :استعمل
ن ي ت ت ب ا ـ ث ة ر ا ر ـ ح ة ـ ج ر د و طغض تحت زاغلا هيف ظفحي زاغلل عدوتسمب مربوط بصمام وعاء للضغط(1.4 MN/mقيمتهما
2م.كان مفرغ في البدايوعاء الضغط. على التوال (85°C)و( ا م ص ـ ل ا حتف
م(2.7kg)ألتاحة المجال لكتلة من الغاز مقدارها ا م ص ـ ل ا ق ـ ل غ ا مـ للمرور الى صمام الضغط ومن ث
ط غ ض ـ ل ا ء ا ـ ع و يف زاغلا ةرارح ةجردو طغضلا نم لك حبصاو(700kN/m2)و (60°C)ى ـ ل ع ط.احسب مقدار الحرارة المنتقلة الى الغاز في الوعاء او م.التوالي غ ض ـ ل ا ءاعو مجح كلذك بسحا
:علم أ.وحجم الغاز قبل االنتقال
Cv = 0.67 kJ/kg.K Cp = 0.88 kJ/kg.K
q = ∆µ – w
= Cv (T2 – T1) – RT1
= Cv (T2 – T1) – (Cp – Cv) T1
= 0.67×(333-358)–(0.88 – 0.67) 358
= – 91.93 kJ/kg
Q = q × m
= 91.93 × 2.7
= 248.2 kJ
P1ν1 = RT1
V1 = ν1 ×m = 0.0537×2.7 = 0.145m3
)5.23(
(0.1 mوحجمه(7 bar)مائع ضغطه3
بس (2.25 kg)وكتلته( ـ ك م ب ة ـ ق ل غ م ةناوطسا يف عوضوم تباث طغضلا ىقبي ثيحب كرحتي.ىتح ددمتيف ةيرارح ةقاطب زهجي(0.2 m3بي.( ل ا ـ ث ن ال ا ت ـ ن ا ك اذإف
اك ـ ك ت ح ال ا ميدع كرحتم سبكمب ةقلغم ةناوطسا يف دوجوم عئام.ا ه ر ا د ـ ق م ة ر ا ر ـ ح ه ـ ي ل ا ت ف ي ـ ض أ (1023.67 kJ/kg).ه ر ا د ـ ـ ق م ت ـ ـ ب ا ث ط غ ض ـ ـ ب د د ـ ـ م ت و (1.0133 bar)ـ ـ ه م ـ ـ م ج ح ر ـ ـ ي غ ت و
(0.00104 m3/kg)ىلا (1.67 m3/kg).سحا:∆µ ∆h.
)5.30(
بس (290K)ودرجة حرارته(1kg)هواء كتلته ـ ك م اهلخادب كرحتي ةناوطسا لخاد دوجوم .ط غ ـ ض
(0.8mالهواء بعملية بطيئة عديمة االحتكاك بحيث تغير حجمه النوعي من 3
ه محصور ف(1kg)هواء كتلته ط غ ـ ض ة ن ا و ط ـ س ا (2 bar)ه ـ ت ر ا ر ح ة ـ ج ر د و (427°C)ط غ ـ ض
ئي.(5 bar)ايزوثرملي الى ا د ـ ت ب ال ا هطغض ىلا داع نا ىلا تباث مجحب درب مث.د ـ ج و ا )1(ل غ ش ـ ل ا
الكلي
والشغل
االجرائين
في
المنجز) .2(
الكلي
والحرارة
المنتقلة
الحرارة.
أ
ملع:
R=0.287 kJ/kg.K Cv=0.72 kJ/kg.K
)5.34(
ى ان. (300°C)من الهواء درجة حرارته(1kg)اسطوانة فيها مكبس تحوي ـ ل ا ـ ي ل م ر ث و ز ي ا د د ـ م ت ع.تضاعف حجمه ج ر ت ـ س ا نا ىلا ةيلمعلا ءانثا يف تباث طغضلا يقب ثيحب لخادلا ىلا سبكملا عفد مث
علم أ.الهواء حجمه االول :احسب الحرارة المنتقلة وصافي الحرارة
ئي.(1 bar)غطه و(300 K)هواء درجة حرارته ا د ـ ت ب ال ا ه ط غ ـ ض ف ع ـ ض ىلا يتابايدا طغضية.(200W)بوساطة ضاغط يستهلك قدرة مقدارها ـ ي ن ا ث ل ا يف طغاضلا نم جراخلا ءاوهلا مجح بسحإ
حرارته
درجة
واحسب.
أ
ملع:
(γ=1.4) .
)5.38(
ه ـ ت ل ت ك زاغ ىلع يوتحت سبكمب ةقلغم ةناوطسا(0.45kg)ه ط غ ـ ض و (6.7bar)و ة ر ا ر ـ ح ة ـ ج ر (185°C)هطغض حبصا نا ىلا يتابايدا زاغلا ددمت (138 kN/m
ا(15°C)تها ودرجة حرار (0.2kg)كتلتها(N2)كمية من غاز ـ ه م ج ح حبصا ىتح يتابايدا تطغض ل.(237°C)ربع ما كان عليه في البداية واصبحت درجة حرارتها ـ ق ت ن م ل ا ل غ ش ـ ل ا ن ا ـ ك و (33kJ).
احسب(γ)
و (R).
)5.42(
(700kN/mغاز يتمدد ادياباتي من ضغط2 (0.015 mوحجم(
3 (140 kN/mالى(
2احسب الحجم.(
:علم بأ.شغل المنتقل والتغير في الطاقة الداخليالنهائي وال
ز(0.45kg)غاز مثالي كتلته ـ ج ن ا و ةيادبلا يف هيلع ناك ام فصن هطغض حبصا نا ىلا يتابايدا ددمت ى (220°C)وانخفضت درجة حرارته من(27kJ)شغال مقداره ـ ل ا (130°C).ة ـ م ي ق ب س ـ ح ا (γ)
وكذلك(R).
)5.48(
ثم ترك الى ان عادت درجة. (1.48 bar)الى(6 bar)هواء تمدد ادياباتي في نظام مغلق عند ضغطى ـ ـ ل ا ه ط غ ـ ـ ض ع ف ت ر أ ـ ـ ف م ـ ـ ج ح ل ا ت و ـ ـ ب ث ب ة ـ ـ ي ا د ب ل ا ي ـ ـ ف ه ـ ـ ي ل ع ت ـ ـ ن ا ك ا ـ ـ م ى ـ ـ ل ا ه ـ ـ ت ر ا ر ح
ه (27°C)ودرجة حرارته(1 bar)غاز مثالي ضغطه ـ م ج ح و (3.5m3ى( ـ ل ا ـ ي ل م ر ث و ز ي ا ط غ ـ ض
(600kN/m2احسب الحرارة المنتقلة والتغير في الطاقة الداخلية.اتي الى حجمه االولثم تمدد اديا.(
االخير
لألجراء.
أ
ملع:
γ=1.4
)5.58(
ه (20°C)ودرجة حرارته(3 kg)غاز كتلته ر ا د ـ ق م ل غ ـ ش ل ـ ق ت ن ي و يتابايدا قلغم ماظن يف طغضي (100kJ)هرادقم لغش لقتنيو طغضلا توبثب ددمتي مث (100 kJ).د ـ ع ب ة ر ا ر ـ ح ل ا ة ـ ج ر د ب س ـ ح ا
:علم أ.التغير في الطاقة الداخلي)(االنضغاط االدياباتي
( ضغط الغاز الى (20°C)ودرجة حرارة (1 bar)موجود تحت ضغط(1 kg)هواء كتلته4 حجمه)1
االبتدائي.
ء ا ر ـ ج ا
في
االنضغاط
تم
إذا
حرارة
ودرجة
وحجم
ضغط
من
النهائية
الهواء
حالة
احسب)(
ة).1.25(بولتروبي وبقيمة بولتروبية مقدارها)(ايزوثرملي ـ م ي ق لقا لغشلل نوكيس ءارجا يأ يف.
:علم أ.(P-V)قارن ذلك مع الرسم على مخطط
Cp=1 kJ/kg.K Cv=0.71 kJ/kg.K
):)0.85 m2 0.2124 m3 4 bar -117.8 kJ 5.657 bar 414.36 K -140.78 kJج
)5.12(
كتلته
غاز
من
كمية(1 kg)
وحجمه (0.1 m
3)
مغل
نظا
في .
ى ـ ت ح
ثابت
ضغط
تحت
بتسخينه
تمدد موكانت قراءة المانومتر المر. وتضاعف حجمه(50°C)ازدادت درجة حرارته بمقدار ا ـ ظ ن ل ا يف طوب(20 cmHg).رتيمورابلا ةءارق تناك ءارجالا ءانثا يفو(1.01 bar).يـ ر ف ـ ي غ ت ل ا ر ا د ـ ق م بسحا
:علم أ.االنثالبي لهذا االجراء والشغل المنجز
δHg = 13600 kg/m3 Cv=0.7 kJ/kg.K
):)37 kJ 12.77 kJج
)5.13(
ا (14L)وحجمها(0.95 bar)ضغطها.اسطوانة محرك ديزل ـ ه ت ر ا ر ح ةجردو (100°C).ة ب س ـ ن ل ا (الحجمية لألنضغاط
1 :احس.)14
ط)3(التغير في الطاقة الداخلية)2(الشغل المنجز)1( ا غ ض ـ ن ا ة ـ ي ل م ع ء ا ـ ن ث ا ة ـ ل ق ت ن م ل ا ة ر ا ر ـ ح ل ا علم أن :بولتروبية
ه( (20°C)ودرجة حرارته(1.2 bar)هواء ضغطه ـ م ج ح ح ب ـ ص ا ث ـ ي ح ب ط غ ض ـ ل ا توبثب نخس (0.4 m
3ـي.((35°C)ثم تمدد ادياباتي الى ان اصبحت درجة حرارته.( ل ف ـ ق ت ن م ل ا ل غ ش ـ ل ا ناكو
أن
علمت
فإذا
متساوي
االجرائين:Cv=0.717 kJ/kg.K
Cp=1.005 kJ/kg.K .
التغير في الطاقة الداخلية)3(كمية الحرارة المنتقلة لألجراءين)2(حجم الغاز في البداية)) :1احسب .لألجراءين
:)0.368 mج3 13.2 kJ 9.42 kJ -3.77 kJ(
)5.15(
ب.( (17°C)ودرجة حرارته (1.5 bar)وضغطه(0.2 kg)هواء كتلته س ـ ح و ـ ي ب و ر ت ل و ب ط غ ـ ض
العالقة(PV
1.25=C.)
البداية
في
عليه
كان
ما
ضعف
ضغطه
اصبح
ان
الى .
ء ا ر ـ ج إ
في
تمدد
ذلك
بعد (0.13 mايزوثرملي الى ان اصبح حجمه 3اط))1احسب.( غ ض ـ ن ال ا دعب ةرارحلا ةجرد)2(ل غ ش ـ ل ا
د)4(ضغط الغاز بعد التمدد))3والحرارة المنتقلين عند االنضغاط د ـ م ت ل ا د ـ ن ع ة ـ ل ق ت ن م ل ا ة ر ا ر ـ ح ل ا :م أع.واتجاهها
Cv = 0.717 kJ/kg.K Cp = 1.005 kJ/kg.K
):331 K) -9.9 kJ -3.71 kJ 1.47 bar 13.64 kJج
)5.16(
ط. موجود في نظام مغل(0.5 kg)غاز كتلته غ ـ ض نـ ة(5 bar)تمدد ادياباتي م ر ا ر ـ ح ة ـ ج ر د و
(100°C)طغض ىلا (1.89 bar)هيلع ناك ام فعض همجح حبصا ثيحب د د ـ م ت مـ ث ة ـ ي ا د ب ل ا يفي.(Cv=0.71 kJ/kg.K)فأذا كانت.(1 bar)ايزوثرملي الى ـ ط ط خ م ى ـ ل ع تا ء ا ر ـ ج ال ا م ـ س ر ا
(P-V)و (T-S)بسحاو )1(يتابايدالا ءارجالا ةياهنو ةيادب يف زاغلا مجح)2(ة ر ا ر ـ ح ل ا و لغشلا .التغير في الطاقة الداخلية لألجراءي))3المنتقلين في االجراءين
:)0.107 mج3 0.213 m
3 32.57 kJ 25.63 kJ -32.33 kJ 0(
)5.17(
(0.03 mغاز حجمه3 يضغط ادياباتي ال (15°C)ودرجة حرارته (1 bar)وضغطه(
41 حجم
ـىثم يتمدد في اجراء ادياباتي .(15°C)ثم يبرد بثبوت الضغط الى ان تعود درجة حرارته.االول ل: واحس (T-S)و(P-V)ارسم االجراءات على مخططي.(γ=1.4)فإذا علمت ان.(1 bar)ضغط
.صافي الشغل المنتقل في االجراءا)2(درجة الحرارة والحجم في نهاية التمدد)1(
:( (27°C)ودرجة حرارته(1 bar)اسطوانة تحتوي على غاز ضغطه
تAاثناء العملية ) ( و ـ ب ث ب د د ـ م ت ي ك ـ ل ذ دعبو طغضلا فعاضتي ىتح مجحلا توبثب ةرارح فاضت
الحجم
يصبح
حتى
الضغط)3(
اضعاف.
مBفي اثناء العملية )( ـ ج ح ل ا ح ب ص ـ ي ى ـ ت ح طغضلا توبثب ددمتي اهسفن ةلاحلابو زاغلا سفن )3(
بعد ذلك تضاف حرارة بثبوت الحجم حتى يلتقي مع الحالة ةاضعاف ـ ي ل م ع ل ل ةيئاهنلا A.ب س ـ ح ا ة)3(صافي الشغل)2(صافي الحرارة)) :1للكيلوغرام الواحد ولكال العمليتين ـ ق ا ط ل ا يف ريغتلا
احسب حجم الهواء في نهاية كل من االجراءين اذا كان الشغل.(200°C)بحيث تصبح درجة حرارته :علم أ. متساويافي االجر
R=0.287 kJ/kg.K
:)0.142 mج3 0.06 m
3(
)5.20( (0.3mغاز حجمه
3ة. (1bar)وضغطه (20°C)ودرجة حرارته( ر ا ر ـ ح ل ا نـ أضيفت اليه كمية م
ا.(100°C)بثبوت الحجم الى ان اصبحت درجة حرارته ه ر ا د ـ ق م ط غ ض ـ ل ا توبثب ةرارح تحرط مثات.(γ=1.4)فاذا علمت ان.نصف الطاقة الحرارية التي اضيفت في االجراء االول ء ا ر ـ ج ال ا حضو
ل. (T-S)و (P-V)مخططيعلى ـ ق ت ن م ل ا لغشلا رادقمو زاغلل يئاهنلا مجحلاو ةرارحلا ةجرد بسحاو .خالل كل إجراء
(1kg)هترارح ةجردو هطغض ةناوطسا لخاد ءاوهلا نم (1 bar)و (15°C)لاوتلا ىلع .ط غ ض ـ ي ادياباتي الى
4ة))1فإذا كان االنضغاط. حجمه االول 1 ـ ق ال ع ل ا ق ـ ف و ي ـ س ا ك ع ن إ (PV
γ=C1))2(ال
ة(6.6°C)انعكاسي بحيث اصبحت درجة الحرارة النهائية في هذه الحالة اكبر بمقدار ـ ل ا ح ل ا نع )1.(
:علم أ.اوجد التغير في مقدار الشغل المنتقل واالنتروبي في الحالتين
γ=1.4 R=0.29 kJ/kg.K
):)-154.5 kJ -159.3 kJ 0.0095 kJ/Kج
)5.22(
(0.5 kg)هطغض زاغ نم (1.5 bar)همجحو (280L).ه ـ م ج ح ح ب ـ ص ا نا ى ـ ل ا يبورتلوب طغض(100L)ةقالعلل عبت (PV
1.2=C.)يلمرثوزيا ءارجإب يئادتبالا همجح ىلا ديعاو .تا ء ا ر ـ ج ال ا مسرا
: واحس (T-S)و(P-V)على مخططي ـل)2(الضغط ودرجة الحرارة في نهاية كل إجراء)1( ل ك ال ـ خ ة ـ ل ق ت ن م ل ا ةرارحلاو لقتنملا لغشلا
:علم أ.اجراء
Cv = 0.724 kJ/kg.K Cp = 1.02 kJ/kg.K
):5.16 bar) 360.88 K 1.84 bar -57.054 kJ 54.99 kJج
)5.23(
النسبة الحجمية.هواء بداخل اسطوانة1
ن. 17 ي ت ل ا ـ ح يف ةهباشتم فورظب طغضي) :1(ـ ي ل م ر ث و ز ي ا .
احسب النسبة بين الحالتين لكل من الشغل والحرارة المنتقلين(PV1.3=C.)بولتروبي وفق القانون)2( .والضغط النهائي
):)0.634 10.85 0.425ج
)5.24(
ت (40°C)ودرجة حرارت (2 bar)وضغطه(2L)اوكسجين حجمه و ـ ب ث ب ق ـ ل غ م م ا ـ ظ ن يـ تمدد فه.الضغط الى ان اصبح حجمه ضعف حجمه االبتدائي ـ م ج ح ى ـ ل ا د ا ـ ع نا ى ـ ل ا يلمرثوزيا طغض
ثم تمدد مرة اخرى بولتروبي وفق القانون.االبتدائي(PV
1.3=C.)
ه ـ م ج ح فعض همجح حبصا ثيحب ة))1سب واح (T-S)و(P-V)ارسم االجراءات على مخططي.االبتدائي ثانية ر ا ر ـ ح ل ا و ل غ ش ـ ل ا :علم أ.مقدار التغير في الطاقة الداخلية لكل إجرا))2المنتقلين
من ضغط مقداره)يمكن اعتباره ادياباتي(تمددت بشكل لحظيكتلة من الهواء موجودة في نظام مغلق(6 bar)ىلا (1.48 bar).ت و ـ ب ث ب ةيادبلا يف هيلع تناك ام ىلا هترارح ةجرد تداع نا ىلا كرت مث
: علم أ (P-V)مخطط وار(R)اوجد قيمة.(2.21 bar)حجمه فارتفع ضغطه نتيجة لذلك الى
Cp = 1.005 kJ/kg.K ):)0.287 kJ/kg.Kج
)5.26(
ن االول).)17هواء موجود في نظام مغلق نسبته الحجمية ي ئ ا ر ـ ج إ يـ ة ف د ـ ح ا و ة ـ ط ق ن نـ يضغط م(PVايزوثرملي والثاني بولتروبي يخضع للعالقة
1.3=C.).نـ ل م ـ ك ل ل غ ش ـ ل ا ن ي ـ ب ة ب س ـ ن ل ا بسحا
.االجرائين وكذلك النسبة بين الضغط النهائي لكل من االجراءين
):)0.634 0.425ج
)5.27(
غاز في نظام مغلق يتمدد ايزوثرملي الى61 ـ ي ت ا ب ا ي د ا د د ـ م ت ي ةطقنلا سفن نمو يئادتبالا هطغض نم
(PVحسب العالقة1.36
=C.)ىلا 6ض من 1 ـ ي ا يئادتبالا هطغض .ل غ ش ـ ل ا ن ي ـ ب ة ب س ـ ن ل ا ب س ـ ح ا
.االيزوثرملي والشغل االدياباتي
):)1.72ج
)5.28(
ن االول ي ء ا ر ـ ج ا يـ ة ف ه ب ا ش ـ ت م ف و ر ـ ظ يـ اسطوانة مغلقة بمكبس تحتوي على غاز مثالي تمدد ف(PVايزوثرملي والثاني بولتروبي يخضع للعالقة
1.3=C.).مجحلاو يئادتبالا مجحلا نيب ةبسنلا تناكو
النهائي17 :علم أ.ل من االجراءياحسب النسبة بين الحرارة المنتقلة ل. 1
γ = 1.4 R = 0.293 kJ/kg.K
):)5.97ج
)5.29(
حجمه
مغلق
نظام
في
غاز(0.106m
3)
حرارته
ودرجة (100°C)
ضغطه
اصبح
بحيث
يتابايدا
تمدد
3وثرملي بحيثثم تمدد ايز.واصبح حجمه ضعف ما كان عليه في البداية. ما كان عليه في البداية 1
.احسب حجم الغاز في نهاية االجراء االيزوثرمل.كان الشغل المنجز في االجراءين متساوي
ه ر ا د ـ ق م ط غ ـ ض تحت قلغم ماظن يف دوجوم نيجورتن زاغ(100bar)ا ه ر ا د ـ ق م ة ر ا ر ـ ح ة ـ ج ر د و
(600°C).ه ر ا د ـ ـ ق م ـ ـ م ج ح ل غ ش ـ ـ ي و (1.31 L).ال غ ـ ـ ش ج ت ـ ـ ن أ و ـ ـ ي ب و ر ت ل و ب د د ـ ـ م ت ر ا د ـ ـ ق م
(28.65kJ).
البولتروبي
االس
ان
علمت
فإذا(n=1.3)
ـي ف
م ـ ج ح ل ا و
والضغط
الحرارة
درجة
اوجد
.نهاية االجراء
):)27°C 0.978 bar 46 Lج
)5.31(
(268ودرجة حرارته(1.02 bar)هواء ضغطه °C).نا ى ـ ل ا يتابايدا طغض مث يلمرثوزيا طغض(0.032 mه وحج(51 bar)اصبح ضغطه
3ى. (1000°C)ودرجة حرارته( ـ ل ع تاءارجالا مسرا
ـي) ) :1واحسب(P-V)مخطط ل م ر ث و ز ي ال ا طاغضنالا دعبو لبق ءاوهلا مجح) .2(ة ر ا ر ـ ح ل ا ي ف ا ـ ص
علم أن : γ =1.4 R = 0.287 kJ/kg.Kوالشغل المنتقلين
:)0.681 mج3 0.272 m
3 -63.72 kJ -157.5 kJ(
)5.32(
(3.1 MN/mتحتوي على اوكسجين ضغطه (300 L)حجمهااسطوانة2. (18°C)ودرجة حرارته(
(1.7 MN/mفتح الصمام واستعمل قسم من الغاز فأصبح ضغط االوكسجين المتبقي في االسطوانة 2)
بعد إعادة إغالق الصمام إنتقلت حرارة بثبوت الحجم بحيث عاد االوكسجين.(15°C)ودرجة حرارته ين(γ=1.4) (Cp=0.91 kJ/kg.K)فإذا علمت ان.درجة حرارته االبتدائيالمتبقي الى جس ـ ك و ألل .
:احسبين)(كتلة االوكسجين المستعمل)( جس ـ ك و ال ا ىلا ةناوطسالا ناردج لالخ ةلقتنملا ةرارحلا رادقم
.ضغط االوكسجين النهائ)(بعد غلق الصمام
:)5.5 kg 10.725 kJ 1.72 MN/mج2(
)5.33(
ه (1 bar)وضغطه(0.75 kg)غاز في نظام مغلق كتلته ـ ت ر ا ر ح ةجردو (20°C)ء ا ر ج إ ـ ب ط غ ـ ض
ب س ـ ح يب و ر ت ل و ـ ب ء ا ر ج إ ـ ب طغض كلذ دعبو يئادتبالا همجح فصن همجح حبصا نا ىلا يلمرثوزيا(PVالعالقة
1.3=C.)يئادتبالا همجح عبر همجح حبصا نا ىلا .ط ـ ط خ م ى ـ ل ع نيءارجالا مسرا(P-
V)ملع اذإ أ :(Cv=0.718 kJ/kg.K و (Cp=1 kJ/kg.K).لي ام بسحا: .الحجم والضغط ودرجة الحرارة في نهاية كل إجرا - أ
.الشغل والحرارة المتبادلة بين النظام والمحيط في كل إجرا -ب
او االنظمة المغلقة ورمز معادل ة(Non-Flow)سبق ان تمت مناقشة اجراءات عدم التدفق واالنظم ة(Flow Process)الت دفقوفي هذا الفصل س نناقش اج راءات.(NFEE)الطاقة فيها
والتي من الممكن ان تكون تدفق غير منتظم . (Steady)او تدفق منتظم(Non-Steady)المفتوحة
: ويتميز بما يأت(SFEE)يرمز لمعادلة الطاقة في التدفق المنتظم ب
ثابت ومتساوي عند المدخل والم-1 .ر يكون معدل التدفق الكتلي
. تدفق المائع وانتقال الحرارة والشغل يكون بمعدل زمني منتظ-2
. ال تتغير خواص المائع عند اية نقطة في النظام عند تغير الزم-3
4- كال وخاصية ميكانيكي ة) )P T νعند اية نقطة في النظام يكون للمائع خاصية ثرموديناميكية وقد تؤثران ف ي.اعدة معينحيث تشمل سرعة المائع وارتفاعه فوق خط قد تتغير هاتان الخاصيتان
.الشغل والحرارة المنتقلين عبر الحدود
الم اء بخار يتدفق عبر ت وربين تمدد غاز عبر فوهة ومن االمثلة على االنظمة المفتوحة غاز يضغط في ضاغط .ال…الداخل الى مرجل والذي يتركه كبخار
يوضح تدفق المائع في االنظمة المفتوح الذي سيرد ذ(6.3-b)إن شكل .ره فيما بعد
الصافي-)6.2( Net Workالشغ
في االنظمة المفتوحة هناك نوعان من الشغل هما ش غل عم ود االدارة وش غل الجري ان :موضحان في الفقرات اآلتية
في معادلة الطاقة ه و مج رد ش غل (W)ان الشغلربما يتبادر الى االذهان.(Ws)رمزهفمصطلح شغل العمود يستعمل للداللة على الشغل الخ ارجي.اال ان ذلك غير صحيح.(Ws)العمود
النظام
الى
او
من
المنتقل(External Work Done)
وال ذي
ما
جهاز
خالل
المائع
جريان
اثناء
في
شكل كما في الشكل))6.1ينقل بوساطة عمود يبرز من الجهاز ينارود كرحتي (6.1-a) يددرت او .(6.1-b)كما في الشكل
او طاقة الجريان-)6.2.2( Flow Workشغ
إن أي حجم من مائع يدخل او يخرج م ن او.هي الطاقة او الشغل الناتج بسبب جريان المائععندئذ يكون الجريان مستقر .الخروجالى النظام يجب ان يزيح حجم مساوي له ليتسنى له الدخول او
يسمى ب شغل الجري ان (Flow Work)والكتلة المزيحة يجب ان تنجز شغال على الكتلة المزاحة .(WFlow)رمزه
كل كما في ش حي ث ي دخل(6.2-a)نفترض ان المائع يتدفق بأنتظام ضمن نظام مفتوح
(P1)عند الدخولوان شروط المائع.ويخرج بنفس المعدل حج م الم ائع تمثل ال ضغط وشروطه عند الخروج.المتدفق في الثانية الواحدة)m(
تتقلص(A)يكون على شكل اسطوانة مساحة مقطعها)2(الى))1وعندما يجري المائع من ولإن اسطوانة المائع ستكون عل ى ط.او تتمدد تبع لتغير مساحة المقطع ودرجة الحرارة والضغط -:المسار تحت تأثير قوتين او نوعين من الشغل الجرياني هما
أي الشغل ال الزم.هو القوة المؤثرة في اسطوانة المائع بأتجاه الجريان: (WFlow)inالشغل الداخل-1 الى داخل النظام لمسافة : ويساو(L1)لدفع كيلو غرام واحد من المائع في الثانية الواحدة
أي لكل(ν)انتواذا ك : يساو (1kg/s)تمثل الحجم النوعي فسيكون الشغل النوعي
أي.(F2)هو القوة المؤثرة باالتجاه المعاكس لجريان اسطوانة المائع: (WFlow)outالشغل الخارج-2 الشغل الالزم لدفع كيلو غرام واحد من المائع في الثانية الو 2Lافة الى خارج النظام لم س حدة
:ويساوي
:والشغل النوعي يكون
-:وعليه فأن مقدار التغير في طاقة او شغل الجريان النوعي يساوي
أي في معادلة الطاقة هو المجموع الجبري للشغل (w)وهكذا سيكون الشغل النوعي لمنتق ل : ويساو(wnet)الشغل النوعي الصافي
wnet = ws + ∆wFlow = ws + ∆Pν ………. (6.7)
orWnet = Ws + ∆PV ……….. (6.8)
اما الشغل االزاحي فهو الشغل الناتج بسبب إزاحة المائع والكتلة المزيحة تنجز ش غال عل ى كما في شكل الشغل االزاحي ورمزه لتزيح مكبس(6.2-b)الكتلة المزاحة (Wdis.)من موقع آلخر
فنآ ةروكذملا ةقيرطلاب جرختسي.
∆wnet = ∆wDisp. = P2ν2 – P1ν2 = ∆Pν ………. (6.9)
or
Wnet = ∆PV ………. (6.10)
Energy Equation for Open Systemمعادلة الطاقة في االنظمة المفتوحة-)6.3(
فإذا كانت الخ واص.تنتقل الطاقة في هذه االنظمة بأشكالها المختلفة وكذلك الكتلة عبر الحدو فت سمى المع اداة بمعادل ة الطاق ة للجري ان غي ر الم ستقر والكتلة متغي رة أي
(Unsteady Flow Energy Equation).راصتخإ اهل زمري(USFEE).ا اذ ه نإن م عو ن شكل ريثك انمهي ال نايرجلا(6.3-a).
والذي ي صادفنا(Steady Flow)اما النوع اآلخر والمهم من الجريان هو الجريان المستقر لذلك وكذلك الطاقة تنتقل بشكل مستقر في التطبيقات الهندسية حيث تدخل وتخرج الكتلة بنفس المعدل
يرمز لها(Steady Flow Energy Equation)جريان المستقرتسمى معادلة الطاقة بمعادلة الطاقة لل . (6.3-b)شكل(SFEE)إختصار ب
إن الجريان المستقر يعني ان خواص المائع المتدفق في أي مقطع في النظام يج ب ان تك ون :أي ا.ثابتة وال تتغير مع تغير الزمن
ومعدل .1 عبر أي مقطع في النظ ام(Flow Rate)لتدفقكتلة المائع المتدفق في وحدة الزمن .ثابتة
أي ان معدل االنتقال يكون ثابت كما في.2 إنتقال الشغل او الحرارة يجب ان يتم بمعدل زمني منتظم .المحركات البخارية والتوربينات والثالجات والضواغط وغيرها
تحت هذه الشروط تثبت خواص المائع في أي مقط ع.ر بهذا المعدل وبضغط منتظيستمر إنتاج البخ إن إجراءات التدفق في المرجل والمكثف الذي سنتحدث عنه الحق تتمي ز.ضمن النظام بالنسبة للزمن
:بما يلي
1-
الحركي
الطاقة
اهمال
يمكن
لذا
صغير
للمائع
والخروج
الدخول
سرعتي
بين
الفرق.
ل ذا يهم ل ت أثير إحتك اكسرعة المائع-2 داخل النظام اصغر من سرعته عند المدخل والمخرج .اللزوجة
فسيكون الضغط ثابت عبر كامل الجها-3 .عند إفتراض عدم وجود إحتكاك
عليه ت صبح معادل ة.االرتفاعات الرأسية لفتحة الدخول والخروج متقاربة فتهمل الطاقة الكامنة-4 :الطاقة كما يأتي
ا
الت يأن
الح رارة
م ن
أكبر
الوقود
حرق
من
والناتجة
المرجل
الى
المضافة
لذا فإن كفاءة المرجل الحرارية تعرف بالمعادلة اآلتيةحرارة :تحول الماء الى البخار
ففي المرجل البخ اري كم ا.اما المكثفات البخارية فمبدأ عملها عكس عمل المرجل البخارياما المكثف فيقوم بمهمة إنت زاع الطاق ة.اوضحنا هناك طاقة حرارية تجهز لتحويل السائل الى بخار
ات التي يكوناما بالنسبة لألنظمة المفتوحة فإن الشغل يمثل المساحة المحصورة بتسلسل العمل )2(ال ى)1( والجزء االخر ال جرياني من(b)الى)2(او من) )1الى(a)جزء منها جرياني من
: أ(dP)وحسابات الشغل يخضع للمعادلة التكاملية لتفاضل دالة الحالة.(6.8-b)كما في شكل
كما في شكل))3يتكون التسلسل النظري للعمليات في الضاغط من نوجزه ا))6.9عمليات
يأتي
كما:
حيث يتدفق الغاز الى الضاغط والذي يمكن تصوره) )1الى(a)عملية سحب من-1 بثبوت الضغط : فسيكو(Va=0)وبما ان.عبارة عن مكبس واسطوانة
واستعمالها انواع رخيصة من الوقود وع دمتتميز التوربينات الغازية ببساطتها في التركيب ومنظومات.حاجتها الى ماء تبري السيارات السفن القاطرات لذا تستخدم في محطات توليد الطاقة
العمودية
والطائرات
السرعة
المتوسطة
للطائرات
دفع.
ي إدارة مروح ةفي الطائرات يقوم التوربين بتشغيل ضاغط الهواء ويستخدم بقية الق درة ف
حيث يركب التوربين والضاغط لذا يسمى هذا المحرك بالمحرك المروحي التوربيني الطائرة الدفعية كما في شكل اما تسلسل العمليات لدورة الهواء المثالي ة.(6.11-a)على نفس عمود تدوير المروحة
: تكون كما يأت(6.11-b)والموضحة في شكل
. (1→2)في الضاغطيضغط الهواء اديابات-1
. بثبوت الضغ (2→3)تضاف حرارة-2
. (Wout)فيقوم بتشغيل الضاغط وإنتاج قدرة فائضة(3→4)يتمدد الهواء ادياباتي في التوربين-3
والمثال التالي يوض ح. حتى يعود الهواء الى حالته االصلية(4→1)طرد حرارة بثبوت الضغط-4فنآ ةروكذملا ةشقانملا.
يضغط ادياباتي في ضاغط بحيث تك ون ن سبة. (27°C)ودرجة حرارته(101 kPa)هواء ضغطه ثم يكتسب حرارة في مبادل حراري بثبوت الضغط بحيث ت صبح درج ة حرارت ه))1/5الضغط
(1050°C)
ويع ود
فائضة
طاقة
انتاج
مع
الضاغط
بتشغيل
ويقوم
ليتمدد
توربين
الى
الهواء
يدخل
ثم
علم .كفاءة المنظومة). (الشغل الصافي): ( من الهواء(1kg)اوجد لكل.الى ضغطه االبتدائي :=1,4 Cp=1,004 kJ/kg.Kأن
:فسيكو))6.11إستناد الى شكل-
qin = Cp (T3 – T2)
= 1.004 (1323–475.37)
= 851.17kJ/kg
wT = Cp (T3-T4) = 1.004 (1323-835.4)
= 489.67 kJ/kg
wc = Cp (T1 – T2)
= 1.004 (300-475.4) = -175.92 kJ/kg
wnet = wT + wc
= 489.67 + (-175.92) = 313.75 kJ/kg
(Nozzle & Diffuserالمبد(والناشر)البو( المنفث6.4.5
كل.هي عبارة عن انابيب دائرية مساحة مقطعي الدخول والخروج فيها متغير ش فالمنف ث(6.12-a)عراس ت ى لا يدؤي امم جرخملا ىلا لخدملا نم طغضلا ضافخنا هنع جتني ثيحب ممصم شكل.تدفق المائع فهو مصمم بحيث ينتج عنه إزدياد ال ضغط(6.12-b)اما الناشر عكس المنفث
أي الحصول على اقصى مما يؤدي الى إنخفاض سرعة التدفق قيمة للضغطمن المدخل الى المخرج
وللمنافث اهمية كبيرة في توليد قوة دفع لمآخذ الط ائرات والمركب ات.على حساب انخفاض السرعة فمثال البخار الخارج من المرجل بسرعة ص غيرة والصواريخ وكذلك في تشغيل التوربينات البخارية
وهذا يعني ان فترة تواجد المائع فيتزداد سرعته بتدفقه خالل المنفث قبل إصطدامه بريش التوربين
التم دد
يع د
ل ذلك
والمحيط
النظام
بين
الحراري
للتبادل
الكافي
الوقت
يتوفر
ال
لذا
قصيرة
أي المنفث أي.(q=0)ادياباتي .(w=0)ال يحتوي المنفث على أجزاء متحركة فال يحصل إنتق ال ش غل
أي يمكن إهمالها(C1)السرعة االبتدائيةاما.(∆PE=0)واالختالف بين االرتفاعات الرأسية صغيرة :لذا تصبح معادلة الطاقة للمنفث او الناشر كما يأت.(C2)لكونها صغيرة مقارنة بالسرعة النهائية
وإذا كان ت وكما مر بنا سابق عند دراستنا للطاقة الحركية فإن :كالتال))6.31ون المعادلة فست (kJ/kg)بوحدات(∆h)ال
(C)وبالتالي فإن السرعة . ستكون بوحدات
))6.2مثا
. (10°C)ويخرج بدرجة ح رارة) )0.7m/sيدخل منفث بسرعة (35°C)هواء درجة حرارته -1
إذا كان Cp = 1.005 kJ / kg . Kاحسب سرعة الخروج
.احسب السرعة النهائي.صفر في السؤال الساب عند إفتراض ان السرعة االبتدائية-2
وي تم ح ساب ال يمكن تطبيق قوانين الغاز المثالي (∆h)بالنسبة للغازات الحقيقية واالبخرة
الخواص
جداول
الى
بالرجوع.
يخ ضع
ادياب اتي
المنفث
في
التمدد
فإن
المثالية
للغازات
بالنسبة
اما .)= ).CPVللعالقة
والمخطط التالي يبين االنواع المختلفة للمنافث والناشرات
(Air Craft Propulsionالنفا( محرك الطائرة الدفعي-)6.4.6(
الت ي تزي د س رعتها عل ى ت ستخدم(800Km/h)في الطائرات ذات السرعات العاليةمى بالمحركات النفاثة الموضحة اجزاءها ف يالمحركات التوربينية الدفعية للحصول على قوة الدفع تس
: وهي كالتال(6.13-b)وتسلسل عملياتها موضحة في شكل.(6.13-a)الشكل
تتحول الطاقة الحركية للهواء الى محتوى حراري يؤدي ال ى.يدخل الهواء الناشرة بسرعة عالية-1ط ت سمى ف ي عملي ة إن ضغ(2→3)يضاف الى ضغط الضاغط.(1→2)زيادة في الضغط
إن االج راء. ي ؤدي ال ى تح سن االدا(Ram Compression)باالن ضغاط الت ضاغطي (1→2→3)
أدياباتي .
Nozzle
Convergent Nozzle
)المنف(فوهة ملتمة او متضيقة
Divergent Nozzle
فوهة منفرجة ((Diffuser)الناشر(
Convergent - Divergent
Nozzle
الفوهة الملتمة المنفرجة او المتضيقة ((Diffuser)الناشر(المتوسعة
. (3→4)حيث يزداد حجم الغازات(P3=P4)يحترق الوقود في غرف االحتراق بثبوت الضغط-2
لهذه الغازاتاما الطاقة المتبقية.(4→5)تتمدد الغازات في التوربين فيقوم بتشغيل الضاغط فقط-3 وتخرج بسرعة عالية جد مسببة قوة دفع محورية تعم ل عل ى دف ع(5→6)فتتمدد في المنفث
إن االجراء.الطائرة(4→5→6)
فيقال ان الطائرة. ادياباتي إن قوة الدفع تستلم من المنفث نفسه .ذات دفع نفاث
يستعمل فيه الغاز المثالي ويه مل التغير ف ي الح رارة النوعي ةالتحليل المذكور آنف مثاليوفي التحليل ال يوجد فرق إذا كانت الطائرة تتحرك خالل اله واء.والتغير في الكتلة خالل االحتراق
. كحركة نسبي (200m/s)او المحرك ثابت ويدخل اليه الهواء بسرعة(200m/s)الساكن بسرعة
اما الهواء الخارج من الناش رة.دإن الهواء يدخل الناشرة ويخرج من المنفث بسرعة عالية ج و(C6)لذا فإن الف رق ب ين.والداخل الى المنفث فسرعته منخفضة يمكن إهمالها لتسهيل الحسابات
(C1)
شكل(6.13-a)
سيتحول الى قوة دفع للطائرة(F)
فإذا كان.(a)
: تمثل التعجيل فسيكو
.ال التالي يوضح المناقشة المذكورة آنفوالم.هذه المعادلة تطبق عندما يكون التمدد كامل
ثم كان التمدد واالنضغاط في المنظوم ة.ويدخل الى منفث ليتمدد ويعود الى ضغطه االبتدائي.الضاغطيتابايدا.ثفنملا لخدمو ةرشانلا جرخم دنع ءاوهلا ةعرس لمها.ةموظنملا يف عضولا ةقاط لمها.اذإف
:احس.(95 kg/s)كان معدل جريان الهواء
:علم بأ.قوة الدف)2. (سرعة الهواء عند الخروج من المنف)1(
وه ي تعبر عن مبدأ حفظ الكتلة في التدفق المنتظم تستخدم بكثرة في مجاالت تدفق الموائع إذ انها م بنية عل ىمبنية على اساس ان كتلة المائع المتدفق عبر أي مقطع خالل زمن معلوم ال تتغير
اآلتية
االفتراضات:
وعند المخرج ب سبب انتق ال-1 وفي أي نقطة داخل النظام تبقى خواص المائع ثابتة عند المدخل .الحرارة والشغل عبر الحدود بمعدل ثابت
2- كل(Mass Flow Rate)تساوي معدل التدفق الكتلي عند الدخول والخروج إشارة الى ش بوح).6.12( تمث ل(A)فإذا ك ان. تكون ثابتة عبر أي مقطع في المنفث(kg/s)داتفإن
بال (mمساحة المقطع2 (D)وان( بال ال سرعة (C)و (m)قطر الفوه ة
(ρ)و(m/s)بوحدات بال (kg/mكثافة المائع 3 : فسيكو(
انواع اخرى في االنظمة المفتوحة-)6.4.8(
(Throttle Valve (Throttling)الخن(ق صمام الخا-1
كما في شكل (6.15-a)عند جريان مائع خالل فتحة ضيقة يئزج او خالل صمام مفت وح وبسبب احتك(6.15-b)كما في الشكل لذلك سوف ينقص ضغطه عندئذ يقال بأن المائع قد خنق
لكن هذه الحر ارة صغيرة يمكن إهمالها بسبب التدفق السريعالمائع مع حافة ممر العبور تتولد حرارة ل ذلك وخالل مسافة قصيرة بحيث ال يكون هناك وقت كاف وال مساحة كافية ألنتقال الحرارة للمائع
أي يتابايدا ارجا قنخلا دعي(q=0).نود ن م متي س ددمتلا نإف ةكرحتم ءازجا دوجو مدع ببسبو صغير خاصة إذا كان المقطعين (C2)و(C1)لفرق بينوكذلك فإن .(w=0)مقاومة لذلك فان
طالم ا ان ال سرعة البالغ ة لذلك تهم ل الطاق ة الحركي ة تك افئ(30 m/s)متساويا المساحة(0.5 kJ/kg)ةميقلا يذ يرارحلا ىوتحملا ةميقب ةنراقم (2500 kJ/kg)را خبلا وه عئاملا ناك اذا
الثم.قاطلا ةلداعم نإف هيلعو:
h1 = h2 ……….. (6.37)
عليه فلن (Cp=Const.)وبما ان(h=CpT)بالنسبة للغاز المثالي يكون المحتوى الحرارياما عند خنق غاز حقيقي فسيكون هناك.يكون هنالك تغير في درجات الحرارة عند خنق الغاز المثالي
.بصورة عامة هبوط في درجة الحرارة
Internal Combustion Engineمحرك االحتراق الداخلي-2
أي ان جزء من الطاقة الكيميائية للوقود يتحول.يقوم بإنتاج شغل ميكانيكي موجب بصفة دائمة
وذات))Open Circuitان محرك االحتراق الداخلي آل ة ذات دورة مفتوح ة.الى شغل ميكانيكي)Steady Flow(ان م ستقرلكن يعامل كآلة ذات جري))quasi-steady Flowجريان شبه مستقر
وان نبضات الجريان تخمد خالل شوط السحب بواس طة النه معظم المحركات متعددة االسطوانات ).Silencers(وخالل شوط العادم بواسطة مخمدات الصوت))Air Filtersمرشحات الهواء
ج زء م نأي ان.محرك االحتراق الداخلي يقوم بأنتاج شغل ميكانيكي موجب بصفة دائمة وجزء يطرد الى الوس ط(6.16-a)وكما في شكل.الطاقة الكيميائية للوقود يتحول الى شغل ميكانيكي
أي ان :المحيط للمحرك على هيئة حرارة والباقي يعمل على زيادة االنثالبي الكلي للمادة الشغالة
شك أي ان معدل الشغل الذي تأخذه المضخة يساوي(6.16-b)لتقوم بزيادة ضغط السوائل :وتكون معادلة الطاق.الزيادة الكلية ألنثالبي المادة الشغالة
الحراري-4 Heat Exchangerالمباد
(B)و(A)هي انظمة مفتوحة ذات جريان مستقر يتم فيها التبادل الحراري بين مادتي عم ل
التبادل يح دث بتم اس مباش ر أي.ن ان تكون من نوع واحد او مختلفةيم.(6.17)كما في الشكل او بتماس غير مباشر أي بضغط مختلف وبإهمال الشغل والطاقة الحركية والكامن ة.بثبوت الضغط
:تصبح معادلة الطاقة لكل مادة عمل
Q12 = ∆H12
: يكو(A)فبالنسبة للمادة
(Q12)A = (∆H12)A
:كو (B)وبالنسبة للمادة
(Q12)B = (∆H12)B
تعني ان اح دها مفق ودة واالخ رى)-(واالشارة. متساوية (B)و(A)وألن الحرارة المتبادلة بين :مكتسبة فسيكون
(25°C)اله واء للمب ادل بدرج ةيدخ.مبادل حراري يستعمل لتبريد الماء بوساطة الهواء
:فإذا كان. (40°C)ويخرج بدرجة(80°C)الماء يدخل بدرجة.(40°C)ويخرج بدرجة
Cw = 4.2 kJ/kg.K
Cpa = 1.005 kJ/kg.K
.اوجد النسبة بين كتلتي الهواء والماء
توحة موضحة فيإن تطبيقات القانون االول للثرموديناميكا على االنظمة المغلقة واالنظمة الم ).)6.2جدول رقم
Summary of Open Systemsخالصة االنظمة المفتوحة
من خالل ما ورد يمكن تلخيص العمليات الخاصة باالنظمة المفتوحة وحسب ما موض ح ف ي كماويمكن تلخيص االنظمة المغلقة والمفتوحة وحسب ماموضح ف ي ج دول رق م))6.1جدول رقم
ويشاهد عند القاعدة ضوء احمر يجب ان يتوقف. من سطح ت(1350 kg)يهبط سائق بسيارة كتلتها.(28m/s)وعندما بدء السائق في الضغط على الفرامل كانت السيارة تتحرك ب سرعة ق درها.عنده
ارة في الفرام لما هي الطاقة التي تتبدد كحر. فوق قاعدة التل(30m)وكان على إرتفاع رأسي قدره )اعتبر السيارة كنظا. (بفرض إهمال تأثير الرياح وعوامل االحتكاك المختلفة على العملية