Extention
AIChE CAPSULES AIChE SU SC
AIChE CAPSULES AIChE SU SC3Thermodynamics................................................................................................76Table of ContentsEnergy science..................................................................................................................................... 7Thermal Equilibrium.......................................................................................................................... 12 الضغط) Pressure).................................................................................................................................. 13Energy and Energy Forms.................................................................................................................. 14Energy Transfer for Closed System.................................................................................................... 15Mechanical Forms of Work................................................................................................................ 1718 ............................................................................................................................... القانون األول للديناميكا الحراري System properties ............................................................................................................................. 2021 .................................................................................................................................. القانون الثاني للديناميكا الحراريةEntropy.............................................................................................................................................. 25Mechanisms of heat transfer ........................................................................................................... 26Steady heat conduction in plane wall................................................................................................ 28Thermal contact resistance ............................................................................................................... 29Heat conduction in cylinders and spheres......................................................................................... 31Lumped System Analysis................................................................................................................... 32Physical Mechanism of Convection................................................................................................... 34Parallel flow over flat plates.............................................................................................................. 35Flow across cylinders and spheres .................................................................................................... 36Physical Mechanism of Natural Convection...................................................................................... 37Thermal Radiation............................................................................................................................. 39Blackbody Radiation.......................................................................................................................... 40Radiative Properties.......................................................................................................................... 42Fluid statics........................................................................................................................................ 44hydrostatic forces on planarsurfaces................................................................................................ 45hydrostatic forces on curved surfaces............................................................................................... 46buoyancy ........................................................................................................................................... 47Stability.............................................................................................................................................. 48Bernoulli equation............................................................................................................................. 49Three laws of Newton’s motion ........................................................................................................ 50Heat transfer....................................................................................................26Fluid Mechanical ..............................................................................................43
AIChE CAPSULES AIChE SU SC4Fluid motion ...................................................................................................................................... 52linear momentum equation .............................................................................................................. 53Fluid Flow .......................................................................................................................................... 54Laminar Flow..................................................................................................................................... 56TURBULENT FLOW............................................................................................................................. 57External flow...................................................................................................................................... 58Drag and lift....................................................................................................................................... 59Friction and pressure drag................................................................................................................. 60Parallel flow over flat plates.............................................................................................................. 61Flow Over Cylinders and Spheres...................................................................................................... 62Lube oil.............................................................................................................................................. 64Lube oil basic characteristic............................................................................................................... 67Lube oil (characteristics tests).......................................................................................................... 68Lubricating greases............................................................................................................................ 70Lubricating greases basic characteristics........................................................................................... 71Lubricating (Characteristics tests) .................................................................................................... 73Lube oil & Greases chemical additive............................................................................................... 74Gasoline............................................................................................................................................. 77Kerosene............................................................................................................................................ 78Jet Fuel .............................................................................................................................................. 80Diesel oil............................................................................................................................................ 81Gas Oil ............................................................................................................................................... 82Natural gas (Reservoir fluids) ............................................................................................................ 83Natural gas (Oil reservoirs)................................................................................................................ 85Natural Gas (Gas Reservoirs)............................................................................................................. 86Natural gas (Acid gas treating) .......................................................................................................... 87Natural Gas (Amine treating process) ............................................................................................... 88Petrochemicals Origins...................................................................................................................... 91Petrochemicals Generations ............................................................................................................. 91Naphtha Cracking Unit ...................................................................................................................... 92Methane Based Chemicals ................................................................................................................ 95Steam Reforming of Natural gas ....................................................................................................... 96Lubrication.......................................................................................................64Petroleum &Natural gas...................................................................................77Petrochemicals.................................................................................................91
AIChE CAPSULES AIChE SU SC5Green Hydrogen............................................................................................. 133Green Hydrogen production.......................................................................................................... 133Green Ammonia ........................................................................................................................... 137Biofuel........................................................................................................................................... 138Decarbonization............................................................................................................................ 140Energy Security............................................................................................................................. 141Energy optimization...................................................................................................................... 142Energy Storage ............................................................................................................................. 144Storage System .............................................................................................. 145Synthesis Gas Based Chemicals......................................................................................................... 98Synthesis Gas Derivatives.................................................................................................................. 99Ethane & Higher HCs based chemicals............................................................................................ 101Ethylene - King of Petrochemicals................................................................................................... 103Propylene- crown prince of petrochemicals.................................................................................... 105Polypropylene the steel of plastic ................................................................................................... 106Polyester – The Trade Name of PET ................................................................................................ 108Polystyrene...................................................................................................................................... 110Poly Butadiene (The second largest synthetic rubber produced).................................................. 111Styrene Butadiene Rubber (The first largestsynthetic rubber produced)...................................... 112ABS-Plastic....................................................................................................................................... 113PMMA-Plexiglass............................................................................................................................. 114PTFE-Teflon...................................................................................................................................... 115Phenol Formaldehyde Resins.......................................................................................................... 116Urea Formaldehyde......................................................................................................................... 117Melamine Formaldehyde ................................................................................................................ 119Polyurethane ................................................................................................................................... 119Silicon ................................ 121Plastic Molding ................................................................................................................................ 122Flaring System................................................................................................................................. 124Types of Flares................................................................................................................................. 125Flowmeter technologies.................................................................................................................. 127Design Criteria................................................................................................................................. 129Recovery System ............................................................................................................................. 131Flare............................................................................................................... 124
AIChE CAPSULES AIChE SU SC6Fixed Roof Tanks..............................................................................................................................................................148Utilities ................................................................................................................................................ 150Cooling Towers...................................................................................................................................................................151Nitrogen .............................................................................................................................................................................153Steam .................................................................................................................................................................................153Distillation ..............................................................................................................................155Types of trays ..................................................................................................................................................155Types of Refluxes.............................................................................................................................................156Distillation troubleshooting .............................................................................................................................158Distillation products............................................................................................................................................158Utilities Area...................................................................................................................................................160Water Supply System......................................................................................................................... 161Water Quality Parameters.................................................................................................................. 161Industrial Water Treatment................................................................................................................ 162Nitrogen System................................................................................................................................ 164Instrument Air................................................................................................................................... 167Introduction to Equipment.........................................................................................................................168Centrifugal Pump ...................................................................................................................................................169Pumps Problems....................................................................................................................................................170Compressor and its Types......................................................................................................................................171Valves.....................................................................................................................................................................173Fired Heaters..........................................................................................................................................................174Heat Exchangers ....................................................................................................................................................175Shell and Tube Heat Exchanger.............................................................................................................................177Reactors .................................................................................................................................................................178Introduction to Natural Gas.......................................................................................................................181Condensate Production and NGL Recovery ................................................................................................182Dehydration .............................................................................................................................................183Sweetening ..............................................................................................................................................184General Refining............................................................................................................................................186Distillation ..............................................................................................................................................................186Isomerization .........................................................................................................................................................187Reforming...............................................................................................................................................................188Cracking..................................................................................................................................................................190Coking.....................................................................................................................................................................191
7 AIChE CAPSULES AIChE SU SCThermodynamicsيائية أو الـمصطلح العلوم الف ي science physical يمثل موضوعات كث ية تشمل الـ ,transfer heat, energy زenergy of conversion وتكون هذه الموضوعات جزء من علم مهم هو الـ Science Fluid-Thermal ومن خالله ندرس الـزأهم مصطلحات وقوان ي Thermodynamics والـ mechanics Fluid الـً.heat transfer وأيضامقدمة بسيطة عن الـ science Energyالطاقة بمفهومها البسيط يه القدرة عىل أحداث تغي يفإذا تحدثنا عن الطاقة فهناك ثالث مصطلحات مهمة للمعرفة وهم:Conservation of energy: -1معناه أنه خالل أي interaction يمكن للطاقة أن تتحول من صورة ألخرى ولكن تظل الكمية الكلية للطاقة ثابتة أي كما نعرف أن الطاقة ال تف زن وال تستحدث من العدم.First law of thermodynamics: -2ويعريعن الـ principle energy of Conservation ويتعامل مع الـ energy أنها خاصية ث يمو ديناميكية.
8 AIChE CAPSULES AIChE SU SCSecond law of thermodynamics: -3القانون ينص عىل أن الطاقة لها quality مثل ما لها quantity وأن الـ process اتجاه إنها تقلل الـيزفًالفعلية تس ي دائما.qualityبمع ووضعته درجة حرارة الغرفة سيريد لدرجة الحرارة المحيطة بيه، أما إذا وضعت زن أبسط لو عندككوب قهوة ساخنيزفي حرارة الغزقهوة باردة ف أن الًيل االتجاه دائمارفة من المستحيل أن تسخن وحدها وبالتا quality تقل.ز الـ thermodynamics إما تكونالخاصة بأية مادة تنقسم لشيئي ي thermodynamics classical وهنا أنت لست تتكون منها المادة، ن ييه بحاجة إل دراسة سلوك الجزئيات الداخلية ال اوالحاجة التانية لـ statisticalthermodynamicsوهنا دراسة الـ behavior average لمجموعة كب ية من الجزئيات الداخلية.أهم الـ concepts الـيزف thermodynamics تشمل:System and Control Volumes: -1الـ system ببساطة هو جزء من الفضاء أو كمية من المادة تم إختيارها لدراستها وهنا البد من معرفة أن المادة لها يىل surroundings ولها boundaries. أو تخييبتفصلها عن الوسط المحيط سواء الفاصل ده حقيق للـومن هنا هناك حالت ي system :ز1 -أول حالة إنه يكون System Closed:داخلة أو خارجة منه ويس يم mass Control وهناك حالة خاصة لهذا الـ systemوهذا معناه أنه ال يوجد أية massأنه لو تم منع دخول طاقة أو خروجها منه يسم system Isolated وهنا يمكن تخيل الـ system closed بأنه دة بمكبس وبداخلهاكميه ثابتة من المادة.ّأسطوانة مزويه 2 -الـالحالة الثانية و system Open:هذه الحالة يكون مسموح للـزتدخل أو تخرج منه ويس يم volume Control وف mass أن ن يومعظم الحاالت اليهيتعامل معاها المهندسون Volumes Control ويمكن أن تتخيل
9 AIChE CAPSULES AIChE SU SC.open system للـ كمثال Water heater الـ الـ closed والـ system open يضموا interactions للكتلة وللطاقة وأيضا الـ work.Properties of a system: -3وهنا يوجد بعض التعريفات المهمة مثل:- Intensive properties:ا الـيىلكتلة النظام مثل الضغط والحرارة وأيض ً ن ي ال تعتمد عيه مجموعة الخواص الو density- Extensive properties:يىلكتلة وحجم النظام مثل الـيه خواص تعتمد عو mass total أو الـ volume total ا اوأيض لـ momentumً وأي خاصية extensive يتم حسابها لكل unit من ال mass تعريعن properties specific.ي عملنا مع المادة عىل أنهازأي مادة تتكون من مجموعة من الجزئيات ونحن نتعامل ف and Continuousmatter Homogeneous من خالل idealization نسميه continuum وهذا مقبول طالما أن حجم ال system ( الجزئياتزوالقصد هنا جزئيات المادة( كب يبالمقارنة مع المسافة ب ي وخالل كالمنا عن الث يموديناميك سنعتري المادة دائماكـ continuumالجزئيات أن تكون أكري من حجم اليه يمكن للمسافة ب ي system أن يكون عندك زاألول ونفسه ولكن هنالك حالت يزRarefied Gas Flow ال نسميها مختلفة طريقة نستخدم ووقتها very high elevation او very high vacuumي Theory اإلعتبار تأث يالجزئيات الداخلية.زنأخذ فيها ف ن يوالDensity & specific gravity: -4يس الـ density عىل متغ يين هما الـيه الكتلة لكل وحدة حجم و تعتمد بشكل أساpressure والـ Temperature وهذا :ييكونكاآلت - حالة الغاز تكون الـيزتناسب طردي مع الـيف densityزيس مع الـ temperature.ف pressure وعك
10 AIChE CAPSULES AIChE SU SC- حالة الـيزف liquids والـ solids فسنجد أن الـ density تعتمد بشكل قوي عىل الـ temperature أما بالنسبة للـ pressureفتأث يه يكون neglected بعض األحيان نهمل تأث يالـيزوف pressure والـ temperature.- State & Equilibrium:5ال thermodynamics معًزن تتعامل دائما states equilibrium والـ equilibrium ذلك ببساطة أنه الومع يوجد أية ي force driving كل جزء من النظام.زتأثر بداخل النظام وهذا يع زن مرة أخرى أن الخواصكلها لديها قيمة ثابتة فيه وولدينا أنواع مختلفة من الـ equilibrium: وThermal Equilibrium: -1كل جزء من الـيزيه نفسها فوهذا يحدث عندما تكون درجة الحرارة system.Mechanical Equilibrium: -2رشط أنه خالل الـوهذامرتبط بالضغط ويكون ال system قيمة الـزٍ فكله ال وجود لتغي ي pressure مع الزمن عند أي نقطة اإلعتبار أنه من الممكن أن تكون قيمه الـالنظام ، ولكن خد بع يزيزف pressure ليست ه نفسها عند كل نقطه بداخل النظام.Phase Equilibrium: -3ي حالة الـزي وتحدث ف system phase two عندما تكون ال mass لكل phase حالةزف equilibrium.Chemical Equilibrium: -4زن ويحدث إذا كان الـ composition انه ال تحدث بداخله أيةال يتغ يمع الزمن بمع reactions chemical. لو وصل النظام لتلك الـ 4 حاالت equilibrium حالةيز، عند ذلك نقول أن النظام ف equilibrium thermodynamic.The State Postulate: -5زن هذا المصطلح أن الـsimple compressible system ألي state ويعباستخدام خاصيت يزٍكاملٍيمكن تعريفها بشكليىل كتلة النظام نفسه ومثال عىل هافقط غ ي معتمدين عىل بعض أو ع هو )الخاصيت يزت ي Specific & Temperature ز(Temperature & Pressure for a single phase system) أو( volumeيىل ويتعامل معظم المهندوسن مع الـ system compressible simple النظام مثلبمع زن إهمال تأث ي أي قوة خارجيه عيس.أو المغناطييالجاذبيه والمجال الكهربات
11 AIChE CAPSULES AIChE SU SCProcesses & Cycles: -6يه الـ process أي تغي ي يحدث للنظام من حالة إتزان ألخرى . ن وخالل الـ process الـ system يمر بـ series من الـ States نسميهاال path.ولىك تستطيع أن تعرف ال processبشكل كامل فأنت تحتاج لتعرف الـ initial والـ state final للـ system والـ path الذي ا تفاعله مع الوسط المحيطًياخده ، وأيض عندنا أنواع مختلفة من الـي ومن هنا يمكن أن نالف process مثل :Quasi-Static Process (Quasi-Equilibrium): -1تلك الحالة ، تتم الـيزوف process امن الـًقريبة جدًبشكل يجعلها دائما state equilibriumيزعند أي نقطة ف النظام ويتم يه وصف الـ process بأنها process slow والحقيقة إأن الـ processهنا process idealized اًحقيقيًزن تمثيالال تعطي.actual process للـIso-thermal Process: -2يهو process تظل خاللها درجة الحرارة ثابتة.Iso-baric Process: -3وخاللها بيظل الـ pressure ثابت.ISO-metric (Iso-choric): -4وخاللها يظل الـ volume specific ثابت.بوصف الـًزن نقوم أحيانا system أنه مر بـ cycle أن الـوهذا يع system تحرك من state initial وعاد مرة تانية للـ initial ن ي state بدأمنهاال .من المفي وهنالك مفهوم من المهم أن تعرفه وهو الـ process flow steady ضمهم يز، ولكن قبل أن نعرفه هنالك شيئ يزأن نفرق بينهما:The term steady: -1زن أنه ال يوجد أي تغي ييحدث داخل النظام مع الزمن وعكس تلك الحالة يطلق عليهاوهذا يع transient.The term uniform: -2زن أنه ال يوجد أي تغي ييحدث داخل الـوهذا يع system مع الـ location خالل region محددة .وهذا يع زن ال devices flow-steady ببساطة أن الخواص ن معظم الـ devices engineering يتم التعامل معاها تكونمن الممكن أن تتغ ي من نقطة لنقطة خالل الـ volume control ولكن عند نقطة محددة تظل الخواص ثابتة خالل ال .entire processي و من الممكن أن نقابل الـ flow steadyزف devices continuous مثل التوربينات و الـ pumps ا الـًوأيض reboilers.رش هناك بعض االجهزة الـ cyclic وط الـمن صعب أن يتحقق بها ن يوال flow continuous مثل الـ reciprocatingيل engines وبالرغم من ذلك فتلك األجهزة يتغ يخواصها خالل الزمن manner periodic a in نستطيع معاملتهاوبالتا.time-averaged value for the properties الـ أخدنا لو steady flow أنها عىل
12 AIChE CAPSULES AIChE SU SCنصل اآلن لمبدأ مهم وهو اإلتزان الحرارى أو ال Equilibrium Thermalفدرجة حرارة الجمس يز وهو مبدأ ينص تتغ يإل أن تصل لنقطة معينة ، نعرفها عىل أنهاعىل أنه إذا تالمس أي جسم يزنقطة اإلتزان، وبما أنه ليس أي اتزان ولكنه خاص بالحرارة فهو \"اتزان حرارى \"Equilibrium Thermalفال system ذو درجة الحرارة العالية ،تقل بالنسبة لآلخر درجة حرارته و العكس بالنسبة لل system اآلخر إل أن يصلوا لنفس درجة الحرارة، وهو ما يسم بال.Thermodynamics of Law Zerothوهذا يفشلنا سبب ذوبان الثلج الذى تزداد درجة حرارته مع مرور الوقت، والذى تنتقل إليه الحرارة من خالل السائل.من منظور آخر، القانون ن contact ا ألن يحدث ّص عىل أن الًاكونه وحيدًليس رش equilibrium thermal طما ب يزز systems two نفس البيئة _عىل الرغم منمن أي سائل موضوع يز فوهذا يفشلنا درجة الحرارة المتساوية لكوب يزًإتزان حرارى مع الوسط، إذزك .. فبما أنكلكوب فمشي ٌأنهم متباعدين_؛ وهذا ألن هنالك وسط إتزان حرارىزا الكوبان فمع بعضهما البعض .ز ونستطيع أن نحدد كون ال systems two حالةّص ف equilibrium thermalحيث ينمومي من خالل استخدام الي ز القانون عىل أن أي systems two حالةيكونان ف equilibrium thermal مع بعضهما إذا ما كان لهم نفس القراءة ن إذا لم يكونامتالمس يز لدرجة الحرارة ح .الزأما ف field قياسهازأي وحدة واألجهزة المستخدمه فز ن تقاس ألي مائع مجود ففدرجة الحرارة من أهم العوامل الاألساس قائمة عىل مبدأ الزZeroth Law of Thermodynamics. ف هوهذا يكون عن طريق sensor موجود بداخل الجهاز .. فمن خالل ال contact مع الفلويد يستطيع قراءة درجة حرارته . ن ن وصلها الزئبق والاألنبوبة ونستطيع أن نقرأ القيمة الزالمتداول استخدامه؛ عن طريق امتداد الزئبق فمومي وكذلك الي تعريعن درجة حرارة الsystem.
13 AIChE CAPSULES AIChE SU SCالضغط (Pressure ( ن يؤثر بهاهو القوة العمودية ال مائع )سائل-غاز( عىل وحدة المساحات.ثالث مصطلحاتًولىك نقيس الضغط فـهنالك أوال :- absolute pressureموالي رقوان يززالغالب فزوهو الضغط الفعىل عند أي مكان. ويستخدم ف .- atmospheric pressure.وهو الضغط الجوي ويساوي 1.atm- gage pressureا عىل حسب وضعه بالنسبة للضغط الجوى فق ز وهو ناتج طرح ًا أوسالبً. و من ممكن أن يكون موجبالسابق يزالنوع يزالحالة السالبة يسم بال.Pressure Vacuumامع االرتفاع الساقط عليه فعند صعودًيعرف الضغط الجوي بوزن عمود الهواء عىل وحدة المساحات، ويتناسب طرديما تقلكثافة الهواء ويقل األوكسج يز مكان مرتفع يقل الضغط ك .عديدة مثلٌولىك تقيس الضغط فعندك خيارت :- Barometerوهو جهاز يستخدم لقياس الضغط الجوي.- Manometerقياس فروق الضغط. عبارة عن أنبوبة من الزجاج أو البالستيك عىل شكل حرفزوهو جهاز يستخدم ف U محتوية عىل مثل ا فلويد أو أكي لزئبق، الماء، الكحول، ..ن الز عندما تي fluids اليتم أخد الخط الفاصل ب يزالمانومي زالموجودة ف fluids وتطبيق مبدأ الضغط المتساوي عند نفس المستوي من الفلويدزز فأي نقطت ي .وهناك عدة أنواع منه.- Bourdon tubeي مجوزف ملتوي تكون نهايته مغلقة ومتصلة بإبرة مؤرش وهو جهاز آخر لقياس الضغط يتكون من أنبوب معدت . عندماا. أما عندما يتم ضغط السائل داخل األنبوب، يتمدد األنبوبًا للهواء الجوي تكون القراءة صفرًيكون األنبوب مفتوحويحرك اإلبرة بما يتناسب مع الضغط المطبق.- Pressure Transducersي وه أجهزة تستخدم تقنيات مختلفة لتح ويل تأث يالضغط لتأث يكهربات.وغ يهم من األجهزةأي وحدةزوكما ه درجة الحرارة ، فالضغط من أهم العوامل المقاسة ألي فلويد موجود ف ن تعتمد عىل العالقة ما ب يز ومن أهم تطبيقاته ال Distillation Vacuum الضغط ودرجة غليان السائل. حيث تقلال مقاومة الهواء ن ستالفحالة الضغط المنخفض فيغىل عند درجة حرارة أقل وهو نفس مبدأ السيارة الزلجزئيات السائل فمقاومة أقل من جزيئات الهواء وبالتال القوة المستخدمة للتغلب عليها ستكون أقل .
14 AIChE CAPSULES AIChE SU SCEnergy and Energy Formsيه القدرة عىل إحداث تغي ي. وللطاقة صوركث ية منهالطاقة ا الطاقة الميكانيكية والكهربية والحرارية والحركية والنووية ي وغ يهم. ومجموعهم هو الـ .(E (Energy Total الطاقة دي وليس مع مقدارهازتتعامل الديناميكا الحرارية مع التغ يف .ا تنقسم لنوع يزًالطاقة عموم :1- Macroscopic: ن يمتلكها الوه ال system ككل مثل طاقة الوضع )الطاقة الىل يمتلكها بسبب موضعه( وطاقة الحركة )الطاقة الىل يمتلكها بسبب حركته(.2-Microscopic: ن للكيب الجزي وتلك ه المتعلقة بالي .system ومجموع كل أنواعها هو ال.(U (Energy Internalومن أمثلتها:- Sensible Energyازها، حركة االلكي ولها مجموعة أشكال مثل حركة الجزيئا ونات حول النواة أو حول محورها،زت الخطية أو الدورانية أو اهي حركة جزيئات النواة .- Latent Energyالغازات ه األقلزا وفًالمواد الصلبة ه األعىل قدرزمن المعروف إن القوة المرتبطة الجزيئات ف .فال Energy Latent ه الطاقة الكافية للتغلب عىل تلك القوي وتحويل المادة من حالة ألخرى.- Chemical Energyأن البعض اآلخرح يززبعضها ينكشفيالجزيء، وأثناء التفاعل الكيميات يزوتلك ه الطاقة المرتبطة بالروابط الذرية فيتكون، فيؤثر عىل الطاقة الداخلية.- Nuclear Energyوتلك ه الطاقة المرتبطة بالروابط القوية داخل نواة الذرة نفسها.
15 AIChE CAPSULES AIChE SU SCو كلنا نعلم مبدأ حفظ الطاقة، والذى يعريعن الThermodynamics of Law First ، والذى ينص عىل أن \" الطاقة ال زن وال تستحدث من العدم ولكن يمكن تحويلهامن صورة ألخرىتف .\"Energy Transfer for Closed Systemق الـالطاقة تقدر تخي system closed : حرارة وشغل شكل يزز(Heat, Work) فالسطر القادم .زفك ي زبينهما ،علينا الي ولىك نم ي زحرارة الجوسوف تبدأ درجة حرارته بالتغ يإل أن توصل لدرجة حرارة الجو، هنا يقالز( الذى لو تركته فزمثال )األيسكوفالنظام وما يحيط ن انتقلت ما ب يزأن شكل الطاقة ال ( سببها اختالف درجات الحرارة. فشكل الطاقة هنانظام يزبيه )أو ب يزهو \"الحرارة.\"حالة عبورها الزالحرارة يتم التعرف عليها ف boundary الخاصة بالنظام .. وبمجرد أن تنتقل للنظام التال تصبح جزء منطاقته الداخلية.الديناميكا الحرارية .. مصطلح الحرارة بكل بزفـ ف ساطة هو انتقالها.
16 AIChE CAPSULES AIChE SU SCوعشان تنتقل فـهنالك ٣ آليات النتقالها :- Conduction:الطاقةزالجزئيات المجاورة المواد الصلبة ذات الطاقة األعىل لذات الطاقة األقل منها فزوهو انتقال الطاقة ب ي .- Convection: ز سطح صلب ومائع متحرك مجاور لهوهو نقل الطاقة ب ي .- Radiation:وهو انتقال الطاقة بسبب انبعاث الموجات الكهرومغناطيسية.الـزوالثالث طرق متجمعة ف furnace و ال radiation عن طريق المشعل، ال convection من خالل الغازات ا الًالمتصاعدة لألنانيب .. ومن ثم انتقالهامن األنابيب للفلويد المتحرك داخل األنابيب ، وأخ ي conduction وهو انتقال الحرارة خالل األنابيب نفسها عن طريق جزيئاتها.أما إذاكانت الطاقة العابرة حدود النظام ليست حرارة، فىه بالتأكيد \"شغل\". ويعرف بأنه انتقال الطاقة المرتبطة بتأث يقوةخالل مسافة معينة.
17 AIChE CAPSULES AIChE SU SCMechanical Forms of Workلحدوثمن تعريف الشغل ، سنجد متطلب يزًيجب أن يكون هناك قوة تأثر عىل حدود النظام، وثانياًشغل عىل النظام: أواليجب أن تتحرك حدود النظام .وينطبق هذا الكالم إذاما هنالك إزاحة بقوة تسببها ، وهذا يفشلنا سببًوبالتال وجود قوة بدون إزاحة ال يعد شغالحالة الـزانعدام الشغل ف .vacuum against expansionوه أحد أشكال الـWork of Forms Mechanical ، ز وبالتال الـ transfer work طاقة وضعه .المطلوب لرفع جسم ما يساوي التغ يفوهناك صور أخرى غ يها ، مثل :-- Work Done to Accelerate a Bodyز ومثل طاقة الوضع، فـ transfer work الذى يحتاجه الجسم لىك يتسارع طاقة حركتهيساوى التغ يف .- Shaft Workالسيارات .. فيكون الـزحياتنا اليومية فوهذا نراه ف shaft بالعجالت لىك بينقل لها الطاقة القادمة من المحرك زًمتصال .ذراع العزم، وتلك ازولىك تنتقل الطاقة الميكانيكية خالله فيجب تطبيقعزم دوران والذى يساوي القوة ف لقوة تأثر خالل المحيط الذى نصف قطره هو نصف قطر الـزمسافة مقدارها عدد الدورانات ف shaft ذراع العزمًوهو أيضا .وبالتال الـ work mechanical الناتج عن الـ shaft يمكن حسابه من المعادلة هذه :W = 2πnT- Spring Workز معروف أنه عندما تؤثرقوة عىل الـ spring ، ي الول.التغ يفززضوبة فتغ يوله . فسنجد تغ يالشغل ه القوة المؤثرة مالقوة واإلزاحة فسنتعرف عىل ثابت اسمهزولىك نجد عالقة ما ب ي (k (constant spring والذى يساوي القوة عىل اإلزاحة الشغل ونكامل لىك نحسب الشغل الناتج عن ازمعادلة التغ يفزفعندما نعوض به ف لـspring ، سيظهر لنا أن :-W = 0.5 K (X2^2 - X1^2)وغ يهالكن إذا ما نظرنا عىل الـ work of forms Nonmechanical فمن أمثلتها الـwork electrical.
18 AIChE CAPSULES AIChE SU SCالقانون األول للديناميكا الحراريةحياتنا اليومية مع تطبيقات القانون األول للديناميكازا نتعامل فًدائم الحرارية ، قهوتك الصباحية المصنوعة عن طريق الطاقة المنقولة لها من شعلة البوتاجاز،المحرك، ومن ثم ينتج عنهازين( فزاق الوقود )البي ز ن تتحول فيها الطاقة الكيميائية لطاقة حرارية بسبب احي سيارتك الطاقة ميكانيكية تسبب حركتها، الـعملك ف field الىل هتقابل فيه عملها طاقة كهربية ، فتتحول لطاقة تضاف زز ن تستلزم فمعدات منها المضخة الى وظيفة المضخة، ومنها الـَّؤدُللسائل ومن ثم تتحول تلك الطاقة لطاقة ضغط فت Exchanger Heat الذى يتم فيه ترييدأحد الـ fluids two ولكن تنتقل للـزن يوتلك الطاقة ال تف fluid اآلخر، والـ furnace ا ،ًالذى يشبه البوتجاز ولكنه أكريحجمز تنتقل منه الطاقة للـ crude أغلب األوقات ال تنتقلكل الطاقة بس الـا ، ح ن فً ن ال تف زنكما اتفقنا سابقال losses تكون الحراريةًا عىل هيئة طاقة منهامثالًأيض .الطاقة ال تف زن وال تستًتلك الرحلة سيظهر معك أن فعالزف حدث من العدم ولكن يمكن تحويلها من صورة ألخرى.الطاقة الكلية الداخلة للنظام والطاقة الكليةالطاقة الداخلية لنظام هو الفرق ب يززوللتعب يعن القانون بمعادلة، فالتغ يفالخارجة منه.E in - E out = ∆E systemشكل حرارة والشغل ولكن يشي أما الطاقة الداخلة أو الخارجة من النظام مثلما ذكرنا ط أن يكون النظامزا تكون فًسابقا بالـً\"مغلق\"، لكن إذاكان \"مفتوح\" فتستطيع الطاقة أن تنتقل أيض .flow mass يدزفإذاما دخلتكتلة ما النظام، سي طاقته ألن تلك الكتلة تحمل طاقة معاها. والعكس لو خرجت من النظام.ز وبالتال تستطيع الطاقة أن شكل حرارة، شغل، أوكتلةتنتقل ف .
19 AIChE CAPSULES AIChE SU SCي رحلة انتقال الطاقة وتغ ي صورها إل أن تنتقل للفلويد ..زف الطاقة الكهربية ستبدأ أن تتحول لطاقة ميكانيكية عن طريق الموتور ثم ستنقلها المضخة للسائل .أخدها الموتور لىك تعمل المضخة أكري من مقدمقدار الطاقة الكهربية ال وصلت للسائل ألن الكفائة ن ي ن يار طاقة الضغط الً لن تساوى %100 ا .أبدإنها تؤدي وظيفتها. بمع زن إن أي معدة سيحدد كفائتهايزيه مصطلح يعريعن مدى إتقان المعدة فو تعريف الكفاءة،من مقدار الطاقة الخارجة منها بالنسبة للداخلة .. وهذا قانونها بشكل عام . والجزء الباف الطاقة يكون عبارة عن lossesاًي هيئة حرارة غالبزف .يىلكمية الطاقةفلو أتينا لنطبق القانون عىل المضخة، فـ كفائتها تساويكمية الطاقة المضافة لطاقة السائل مقسومة عالميكانيكية الداخلة لها .كل ماكانت الطاقة الخارجة أكريكل ماكانت المضخة تأدي وظيفتهاًوطبعا بشكل أفضل وكانت كفائتها أعىل.يىل الطاقة الكهربية، سنجد أن الموتور لديه كفاءة تساوي الطاقة الميكانيكية الخارجة منه مقسومة عًوإذاما عدنا قليالالداخلة له.
20 AIChE CAPSULES AIChE SU SCSystem properties- Compressed (subcooled) liquid.يزإذاما أخدنا الماء كـ دراسة حالة بوجودها ف .. cylinder-pistonًي عند درجة حرارة مثال ٢٠ الضغط الجوي، سنجدزوفالحالة سائلةيزأنها ف .زن أنه ما زال يحتاج إلكمية كب ية من الحرارة لىك يتبخرفالمصطلح معناه أن السائل ليس عىل وشك أنه يتبخر بمع .- Saturated liquidمع زيادة درجة الحرارة، سنجد أن حجم الماء يزيد مع ثبوت الضغط )الجوي( إل أن تصل درجة الحرارة لـ ١٠٠ درجة ي حينها هذا المصطلحزضاف لها ستسبب تبخرها ونطلق عليها فُتلك اللحظة ، أيكمية حرارة ستيزمئوية. ف (2. (- Phase-change processدي عملية تحول المادة من حالة ألخرى. خالل تلك العملية ، درجة الحرارة والضغط يكونان ثابتان .تكس يالروابط وتحويلها لبخار. وهنا يطلق عليهايزفيها أيكمية حرارة تضاف للماء ستستخدم ف -liquid Saturatedvapor mixture.- Saturated vaporتحولت فيها آخر ن ياللحظة اليزيىل البخار الذي يكون فيطلق المصطلح ع drop من السائل لبخار. وهو البخار الذي لو فقد أي كمية حرارة ، سيتكثف(4. (- Superheated vaporودا البخار الذي يحتاج إل أن يفقدكمية كب ية من الحرارة لىك يتكثف.: phase-change process ال عمليةهذا المصطلح ينقلنا للـ diagrams property وسنتكلم عن ثالثة منهم:
21 AIChE CAPSULES AIChE SU SC1- T-v Diagram (v = specific volume)عرفنا أن الضغط لو صار ذا قيمة مختلفة عن الضغط الجوي، درجة غليان الماء ستكون مختلفة عن ١٠٠. قل عىل الـُكلما ازداد الضغط وهذا عن طريق وضع ث piston ستقابلها ن ي،كلماكانت درجة الغليان أعىل ألن المقاومة الالجزئيات لىك تتبخر ستكون أكري .مع زيادة الضغط، سنجد أن الـ v للـ liquid saturated أكريوللـ vapor saturated أقل وهذا ألن خط الـ saturationنسميها ن يصار أقض. فكلما إزداد الضغط صار الخط أقضفـ أقض، إل أن يصل إل أن يكون نقطة وال .\"point critical\"يه نقطة عندها الـو liquid saturated و vapor saturated . وعندها قيمة درجة الحرارة والضغط والـمتطابق يزي volume specific الصورةزقيم محددة موجودة فلناكل نقط الـّلو وص liquid saturated عند الضغوط المختلفة مع بعضها إل الـ _ point criticalالخط المسم saturated vapor line_ .. الخط ذلك نسم saturated vapor _الـ نقط مع وكذلكsaturated liquid line_ سيظهر لنامنحزن : مقسم لثالث مناطق1- compressed liquid region.يىل يسار الـوتلك ه المنطقة ع .line liquid saturated2- superheated vapor region.الـيىل يم يزوتلك ه المنطقة ع .line vapor saturated3- saturated liquid–vapormixture regionالمنتصفزوتلك ه المنطقة ف .2- P-v Diagramز نفس الـ Diagram v-T الـبنفس المناطق، لكن العالقة ما ب ي P و v عالقة عكسية.3- P-T Diagramفيه الثالث حاالت للمادة مفصول ي ثةlines نقطة تسم ز ونسميه .diagram phase عن بعض بثاليز، ويتقابلون فحالة triple pointيزوال .equilibrium ن ي عندهاكل الحاالت موجودة ف
22 AIChE CAPSULES AIChE SU SCللـزمعاك خاصيت ي system ، تستطيع من خالل معرفتك بهم أن تحدد كل الخصائص المتبقية للنظام باستخدام ما يعرف thermodynamics table. أو property table بـً ومثل ما أن تكون الخاصيتان: أوالفـ لهم رشط يزبمع non زن هما أهم خاصيت ي ) intensive أنهم ال يعتمدون عىلكتلة و ز( additive ء أن يكونوارسييزن ، وثات ) independent أنه عند ثبوت إحداهما الثانية تتغ ي وال تثبت زبمع .(رشوط،معانا تنطبق عليهما البعد ما تأكدنا أن الخاصيت ي الجداول زيزلنا أن نعرفكيف نستخدمهم ف تبق .من حالةروهنالك أكي :) خاصية + معلومةزيتمثلون فزأول حالت ي .(يع ١- م P أو + T إن النظام :gas or liquid saturated وهنا تكون T ه Tsat ومن خالل الجدول الخاص ب Tsatز نستطيع تحديد القيم المقابلة لها من Psat و h و u اختيار القيمة الصحيحةوغ يهم ومعرفتنا بالسائل والغازستفيدنا فالجدول لكل خاصيةيزالموجودت يز فزمن القيمت ي .يع ٢- م P أو + T الـزإن النظام ف .. region wet وهنا يجب أن يكون عندنا الـ (x (quality المعرية عنكمية الـ vaporزفمعينةالنظام وهنا نستخدم قوان يزحسابات القوان يززبالجداول لىك تساعد فالخصائص ونستع يز لىك نحدد باف .يع ٣- م P و .. T وهنا نحدد Tsat عند ال P ونبدأ بمقارنتها مع T أي منطقة نحن وعىل هذازالموجودة فنستطيع تحديد فاألساس نستطيع استخدام الجدول المناسب .
23 AIChE CAPSULES AIChE SU SCعند u/h/specific volume .. و P/T معيا -٤ وهنامن الجدول المناسب نأت Psat للخاصية المعلومة عندنابقيمت يزا ونستخدم الجدول المناسبأي منطقة نحن أيض ًزحالة السائل والغاز و نقارن بينهما لىك نحدد فزف .يع ٥- م :../volume specific/h/u منهما، وهنا نستخدم الأي خاصيت ي .chart ز
24 AIChE CAPSULES AIChE SU SCيزالقانون الثات للديناميكا الحرارية يخرينا أن الـ process ا' والذى بيساعد عىل حدوث ذلك خاصية مهمة تسم الـًاتجاه واحد فقط 'تلقائييزتحدث فentropy . ا يخرينا أن الطاقة لديهاًي وأيض quality كما لديها quantity تحديد أداءزإهتم بها القانون األول. غ يانه يدخل ف ن يالبعض األنظمة الشائعة مثل الثالجة والـengines heat ، وهذا سنتحدث عنه فتابع معانا .سوف نتعرف أوال عىل مصطلح مهم وهو الـْمُهّفِرَعُ، قبلما نلديه نص يزيزالقانون الثات reservoir heat وهو عبارة جسم يمد كمية معينة من الحرارة \"source \"أو يمتصها \"sink \"بدون أن تتغ ي درجة حرارته وهذا بسب الـ energy thermal ن ي capacity عنده، مثل الهوا والبحار والمحيطات وغ يهمالعالية ال .1- Kelvin–Planck Statementً الذي ينص عىل أنه من المستحيل ألي جهاز يعمل داخل cycle أن يمتص حرارة من reservoir اواحد وتتحول الحرارةكليلشغل، وهذا يكون related للـ .engine heat2- Clausius Statementالذي ينص عىل أنه من المستحيل ألي جهاز يعمل داخل cycle ،وال ينتج أي effect غ يانتقال الحرارة من جسم درجةحرارته أقل لجسم آخر درجة حرارته أعىل. وذاا يكون related للـ pumps heat والـ.refrigeratorتع زن من المعروف أنه مستحيل أن تنتقل الحرارة من األقل للألعىل . الـ Statement أن ليس من المستحيل أن يونهنالك device cyclic تنتقل من خالله الحرارة من األقل لألعىل. وتلك حقيقة ألن الجهاز الذي يقوم عىل هذا المبدأكل بيت وهو الثالجةيزموجود ف .بشكل مبسط، القانون ينص أنه من المستحيل أن تعمل الثالجة بدون أن يدار مصدر الضاغط خاصتها بمصدر طاقة يىل عىل الـيل التأث يالكي زي الموتور. وبالتاي هيئة شغل وانتقالخاررج surroundingزسيتضمن استهالك بعض الطاقة فالحرارة من األقل لألعىل.
25 AIChE CAPSULES AIChE SU SCEntropyيه ي مقياس للعشوائية أو عدم النظام،كلزاكلماكان من الصعب التنبؤ بمكان الجزيئات داخله . فًماكان النظام عشوائيالحالة الغازية أعىل ما يكون وهذا بسبب الحركة العشوائية للجزيئاتيز حاالت المادة الثالث، سنجد أن الـ entropyفيزالتنبؤ بمكانها بدقة فًيل صعب جداوتصادمهامع بعضها فتغ ياتجاهها، وبالتا أية لحظة.أي لحظة سيكونيزيل توقع مكانها فاز الجزيئات حول موضع ثابت وبالتازالحالة الصلبة بسبب اهي يزويكون أقل ما يكون فبنسبة كب ية.من المعروف أن طاقة حركة الجزئيات تقل مع انخفاض درجة الحرارة، فلو وصلت درجة الحرارة للصفر المطلق ستص يي حالة المادة النقية\" وهذاما ينص عليه القانون الثالث واألخ ي يلحركتهامنعدمة وبالتا الـ entropyزستساوي الصفر \"فللديناميكا الحرارية .أما إذاماكانت المادة غ ينقية فالـ entropy من جزئلن تيساوي الصفر عند الصفر المطلق وهدا ألنه سيكون هنالك أكي رالمادة تلك وهذا سيقدميزموجود ف بعض الـuncertainty ا ستصل الـً، لكن أيض entropy تلك الحالةيزلقيمة ثابتة ف .نرمز للـ entropy بـ S الـيزا فًي ويكون موجود tables property الجدول ما يعرف بالـزتكلمنا عنهامن قبل ، معه ف ن يالH (enthalpy(وهو نوع من الطاقة عبارة عن مجموع الطاقة الداخلية (U (مع طاقة الـ (PV (flow وهو مقياس للحرارة الكلية الموجودة داخل النظام.النظام يفضل أن يكون لديه أقل enthalpy وأعىل.entropy
26 AIChE CAPSULES AIChE SU SCHeat transferالـ Mechanisms الثالثة لالنتقال الحرارى:-١الـ Conductionاًنشاطالجسمیات، تنتقل من الجسمیات األكي رعملية التوصيل الحراري يھ عملية نقل الطاقة ب يزلألقل حاالتها الثالثة الرئیسیة )يزهذه الجسيمات ؛ وتحدث للمادة فا نتيجة للتفاعالت ب يزًنشاطالصلبة – السائلة – الغازية (.عىل التصادمات وانتشار الجزيئات أثناء الحركةًالغازات والسوائل بناءيزتحدث هذه العملية فلشبكة وكذلك وجود اإللكي العشوائية، أما المواد الصلبة فمن خالل ذبذبات جزيئات ا ونات الحر .ا لـًويتم تحديد معدل انتقال الطاقة تبع conduction heat of law s’Fourier والذي ينص عىل إن :Qcond = KA (T1 – T2)/(L)يھ حیث L سمك المادة، ن ي T2 ، T1 درجات الحرارة ، A مساحة السطع التحدث عندھا العملية اًوأخ ي K وھو الـconductivity thermal والذي یعتري ھو قدرة المادة عىل توصيل الحرارة،وتختلف قیمتھا باختالف نوع المادة.metals conductivity thermal أعىل من اغازات واسوائل. وكذك تختلف كیفیة حسابهاعىل حسب نوع كل مادة ويوجد كذلك مصطلح مھم وھو االنتشار الحرارى أو ما یسم بـ Thermalزن Diffusivity لشعة انتشار الحرارة خالل المادة والذي يتم حسابه عنوهذا عبارة عن المعدل الزمطریق قسمة المعامل عىل سعة المادة الحرارية.٢ -الـ Convection( الحمل الحرارى(يزيھ ت طريقة نقل الطاقة ب يز سطح صلب وسطح آخر مجاور له )غاز أوسائل( فحالة حركة. وكلماكانحركة السطح أشع،كان معدل االنتقال الحرارى أشع.منه، النوع األول وھو الـزيوجد نوع ي Convection Forced وهذا عبارة عن انتقال الحرارة بواسطة ي ھو الـالمروحة أو الریاح. النوع الثات زً؛ مثل مثالفاعل خاررج convection Free أو الـ Natural يرس Convection عن اختالف الكثافةيع لدرجة الحرارة الناي هذه الحالة یكون االنتقال الطبيزوفبسبب اختالف درجات الحرارة بهذا الوسط .
27 AIChE CAPSULES AIChE SU SCبعدما تعرفنا عىل عملية الـ conduction وتعرفنا عىل الحمل ونوعيه سوف نتكلم عن كيفية تحديد كمیة الحرارة المنتقلة عري الحمل والطريقة الثالثة لالنتقال الحراري الحرارة كمیة تحديد يمكن) Convection) باستخدام Newton’s second law for cooling(Qconv =hAs (Ts - T͚)) عريالحمل المنتقلةيھ حیث Ts حرارة السطح الصلب ،͚T حرارة السطح اآلخر)السائل( ، As مساحة السطح الصلب ، hھو معدل انتشار الحرارةبالحمل. وتتوقف عىل )مساحة السطح ـ طبيعة حركة السائل –خواصالسائل(.بالنسبة الـ Mechanism الثالث لالنتقال الحراري ھو الـ radiation( اإلشعاع(:وھو الطاقة المنبعثة من المادة عىل صورة موجات كھرومغناطیسیة أو فوتونات. وعىل عكس الطرقالماضية نقل الحرار صورةيزة ال يتطلب وجود وسط محیط يك تحدث عملية النقل. وتخرج هذه الطاقة فتصل إل األرض. ن يإشعاع حرارى، مثل طاقة الشمس الالصورة، اإلشعاع الحرارى ھو اإلشعاع المنبعث من األجسام بسبب درجةيزيىك نكون مع بعض فولً حرارتها، ألن جمیع األجسام عند درجة الحرارة األعىل من ا.الصفر المطلق تشع حرارییمكن التعب ي عن اإلشعاع الحرارى عن طریق law s’Boltzmann-Stefen والذي ينص عىل:m2.k4/W 10^-وقیمته القانون ثابت ھو σ أن حیثQemit,Max =σ*As*Ts^4Ts & As، 67.5×8 وھما درجة الحرارة ومساحة سطح المادة.ي ھنا لمصطلح هام وھو الجسم ونأت األسود، وهذا الجسم الىل نسبة اإلشعاع الخاصة به أكريما یمن،يع عند نفسويسم اإلشعاع الخارج منه إشعاع المادة السوداء. ويكون أكري من إشعاع الجسم الطبيدرجة الحرارة.وذلك فتح لنا طریق لمصطلح جدید وھو ال emissivity أو اإلنبعاثیة ԑ والذي يدل عىل كفاءة االنبعاث الحرارى للسطح وتكون دائما 1 لألجسام السوداء.
28 AIChE CAPSULES AIChE SU SCQemit = ԑ*σ*As*Ts^4 الصورة عىل القانون نكتب فنقدري درجة الحرارة بینھما يكون القانونزيوجد فرق فوإذاكان لدينا سطح يزQemit =ԑσA(T1 – T2)Steady heat conduction in plane wallإذا اعترينا إن ھناك توصيل ثابتيزالشتاء. يتم نقل الحرارة فيزل خالل یوم فزللحرارة عري جدران المي زاتجاه ال تتغ ي فیهيزي ھذا االتجاه. ال یوجد انتقال للحرارة فزبواسطة تدرج درجة الحرارة فاتجاه مع يزدرجة الحرارة. ویكون سطح الجدار متساوي الحرارة تقريبا.ال یوجد انتقال للحرارة عري الجدار، ولكن ھ األسطح الداخليةي درجة الحرارة ب يززناك فرق كب ي ف.يىل إل السطح الخاررجياالتجاه من السطح الداخيزيل انتقال كب ي للحرارة فوالخارجية للجدار، وبالتاي ھذا االتجاه كب ي. عالوة عىل ذلك، إذازأن یكون تدرج درجة الحرارة فيزیتسبب السمك الصغ يللجدارفز ظلت درجات حرارة ال لل وخارجه ثابتة، فیمكن اعتبار ان نقل الحرارة عري جدار المي ززھواء داخل المي زعىل أنه ثابت وأحادي البعدوبذلك یكون الـيھ dt)/wall(dE = Qout - Qinحیث ان dt)/wall(dE معدل تغ يدرجة حرارة الجدار بالنسبةللزمن ويساوي صفر وذلك عنما تكون العملیة steady.فكر ھل معدل انتقال الحرارة خالل الجدار يكون ثابت أم متغ ي؟ا ]ًالبد أن یكون معدل انتقال الحرارة عريالجدار ثابت constant) = wall, conduction˙(Q.]
29 AIChE CAPSULES AIChE SU SCيل نقدر نعري عن قانونوبالتا Fourier للتوصيل الحراري للجدار بـ:Q˙(conduction, wall)= -kA dT/dx: dT/dx = constant إن باعتباريالمعادلة وإعادة ترتیبھا تصبحكاالت يزواجراء عملية تكامل لطرفQ˙(conduction, wall)= -kA (T2-L)/T1حیث أنيھ k التوصيلية الحراريةدرج ن ي حرارة سط يح T1, T2 الجدارL مك الجدارسٌة للمادة وتعتمد عىل الشكل والخصائص الحراريةيھ خاصية مم ي زالمقاومة الحرارية: للوسط.:يویمكنكتابة القانون السابق باستخدام المقاومة الحرارية كاالت Q˙(conduction, wall)= T2-T1/Rwallيىك نحسب المحصلة الخاصة بهم نتعامل معهم كأنهمإذاكان لدينا مجموعة من المقاومات الحرارية، ليل.يل يتم جمعهم إذاكانوا عىل التوامقاوماتكهربائية وبالتاThermal contact resistanceين سوف نتكلم عن الـresistance contact Thermal الـresistance contact Thermal والللكفاءة واستهالكًاالعتبار ألنهامھمة جدايز ن ي البد أن يضعها المهندس فتعتريمن أھم الظواهر ال
30 AIChE CAPSULES AIChE SU SCالطاقة والحرارة واختبار المواد والحفاظ عىل سيزشيد ف يھ الي نقطةالمتها وأشياء أخرى كث ية فمھمة جدا ألي عملية معتمدة عىل الـ heat of conduction. يھ ؟ resistance contact Thermal الطب ماأيا، وتحدث ما ب يزًيه ظاهرة طبیعیة جد يحدث two or more parts بساطة بكل.conduction of heat بینھمالـ parts two الواقعيزيىك تنتقل الحرارة بینھما، لكن الذي يحدث فببعض لالمفروض يكونواملتصق يزليس كذلك إلن السطح المالمس لكل جزء له roughness مھما كان السطح ذلك smooth فـتحت الـ ن ي microscope يظهر السطح عىل شكل نتوءات تسم valleys and peaks تسبب الـوهذه الresistance الذي يحدث.لماذا؟يحدث علیھميىك ألن هذين الجزئ ي pressure يتم ضمهم تجاه بعض، ويقوموا بعمل زل conductionز الحقيقة إن الـconduction الـيحدث ما ب ي peaks يتم تسميتهافقط أو ال spots conducting ن ييل لكن الـ valleys يكون بینھا فراغ یسم gaps هذا الفراغ يوبالتا تم ملؤه بالھواء، وهذا الذي يقلل جودة الـ conduction ، ويؤدي إل الـresistance contact Thermal. من طريقة للتقليل من هذا الموضوع ، ویكون عن طریق:أكي ريزفأ يتم وضع مادة liquid conducting Thermally ،وتسم grease Thermalوتمىل الgaps ،ويكون لھا conductivity مقبولة فتقلل من الـ resistance ، ومن أمثلتها ) Siliconoil اليز(، وهذا الذي يتم استخدامه ف components Electronic. ب يمكن تبديل الـ fluid أو الھواء الذي یمىل الـ gaps بـ gas اخر، الـconductivity الخاصة به أعىل مثل الـ Helium أو الـHydrogen.ت ي هذهززي مثل ال ) ,Alزي السطح ف الطريقة یتم استخدام soft foil metallic ،ویتم وضعه ب يط Zn, Cu، Ni and Sn أعىل كفاءة البد أن یكون اليىك تع(،وهذه الطريقة ل foil هذا very.thinيىك نضمن أقل قدر من الـ resistance ، ویتم التأث ي عىلث يتم اختیار مواد smooth very لأوزالسطح ي بـيىك القطعت ي pressure یقلل ال زل gaps بقدر اإلمكان.
31 AIChE CAPSULES AIChE SU SCHeat conduction in cylinders and spheres ض إننا عندناولنفي pipe يوجد فيها ماء ساخن، سوف نجد إن الحرارة تنتقل بشكل مستمر للخارج من أو بمع زن خالل جدار الـpipe . وسوف نشعر إن انتقال الحرارة یكون بشكل عمودي عىل سطح الـ pipe.radial r-direction اخريل إذاكانت درجةزي لكل منھما درجة حرارة مختلفة. وبالتازي مائع سطح الـ pipe( سمكه رفيع( يفصل ب ثابتة، إذن انتقال حرارة خالل الـزيل الحرارة المائع ي pipe یكون steady انتقال الحرارة خالل الـ. وبالتا.steady one-dimensional& إنه نعتريه نقدر pipeيل .. وھو قانون فوریور للتوصيلتعتمد عىل القانون التا ن يیتم توصیلھا، وال ن يأماكمیة الحرارة الالحرارى(Ԛcond= (T1-T2)/(Rزي ، وال R ثابت خاص باألنبوبة وھو حیث أن ال T1 وال T2 ھما درجات الحرارة الخاصة بالسطح الـ thermal ن ي resistance نقدر نحسبها من خاللیظھرھا العنض أمام انتقال الحرارة، وال ن ي، وھ المقاومة اليل )مع استخدام المساحة الـالقانون التا mean لألسطوانة(:
32 AIChE CAPSULES AIChE SU SC2πLk)/r1/r2(ln = Rcylحیث إن ال r1 و r2 ھما األقطار الداخلية والخارجية لألنبوبة، L ھو يھ طول األنبوبة، و الkیتم تعریفھا عىل إنھا قابلية المادة ن يالتوصيلية الكھربیة للعنضواللتوصيل الحرارة.أما بالنسبة لل spheres نقدر نتبع نفس القانون بس نستبدل مساحة الcylinder بالمساحة الـ ن ي mean لل sphere ھيل وال 4πr1r2 الـوبالتا resistance تتحسب من ھنا:Rsph = (r2- r1)/4πr1r2kLumped System Analysisبشكل عام، تختلف درجة حرارة الجسم باختالف الوقت والموضع.\"تحليل النظام المجمع\"يس أثناء عملية نقل الحرارة. درجةاموحدة بشكل أساًتظل درجات الحرارة الداخلية لبعض األجسام دائمالزمنيزي ھذا الوضعحرارة هذه األجسام لیست سوى دالة ف t (T = Tزطلق عىل تحليل نقل الحرارة فُ( یيل اسم تحليل النظام المجمع.المثا
33 AIChE CAPSULES AIChE SU SCيىلكتلتها ذوشكل تخیبفرض جسم m ،وحجمه V ،ومساحة سطحه A ، وكثافته ρ وحرارته النوعیة Cpً ودرجة حرارته االبتدائية الموحدة Ti.ي عند الزمن 0 = t وسط عند درجة حرارز، یوضع الجسم ف ة Ti∞> T∞ (T )مع معامل انتقال الحرارة hة زمنیة . یمكن التعب يعن توازن طاقة المادة الصلبة لفي dt: يكاآلت انتقال الحرارة للجسم خالل زمن dt = الزیادة فطاقة الجسم dt h A (T∞ - T) dt = m Cp dTزمن خاللأن نجد T = Ti إل t = 0 من والتكامل∞( dT = d (T - T ي المتغ استبدال، m = ρV معT(t) - T∞)/(Ti - T∞) = b = الـ أن حیثe^-bt) bhA/ρVCpباستخدام المعادلة السابقة ، یمكننا تحديد درجة الحرارة t (T الوقتي( للجسم ف t من ذلك زً، أو بدال، الوقت t المطلوب لدرجة الحرارة للوصول إل القیمة المحددة t (T.) الحظ أن درجة حرارة ال ب من درجة الحرارة المحیطةجسم تقي ∞T بشكلكب ي.تش يالقیمة الكب ية لـ b وقت قص ي.يزب من درجة حرارة البيئة فإل أن الجسم ستقي ً یتناسب b مع الكتلة والحرارة النوعیة للجسم.مع مساحة السطح، ولكنه یتناسب عكسیاالجسم ومحيطهالكمیة اإلجمالية النتقال الحرارة ب ي ة زمنیة ھو: زخالل في [Q = m Cp [T(t) – Ti
34 AIChE CAPSULES AIChE SU SCPhysical Mechanism of Convectionر من معرفتنا المسبقة بالحرارة إنھا تنتقل ب منأكي طريقة وهذه الطرق عبارة عن ثالث طرق إلنتقال الحرارة وھم ال )Radiation, Convection, Conduction )عىل عكس ال Radiation كل من الConduction وال Convection يحتاجوا الـmedium لنقل الحرارة فیه لكن المختلف بینھم إن الConvection ینقل الحرارة لل fluids فقط.انتقال الحرارة بال convection يحدث عندما توجد كتلة متحركة من الfluid یتنقل فیھا الحرارة.ب ي cold وال fluid hot ز بحیث إن ال motion تعزز من انتقال الحرارة ألنها تقوم بعمل contact الأعىل فالحمل عن التوصيل.لذلك معدل انتقال الحرارة یبق ي حالة الliquid medium ال عن. gas medium زبتكون أشع ف convection عن طریق ال heattransferعملية الانتقال الحرارة عن طریق ال Convection یتأثر بخصائصكث ية للfluid وھ:• لزوجة المائع.• معامل التوصيل .• الكثافة.• الحرارة النوعیة .• وشعة المائع. شبان نوع). streamline or turbulent) المائع•معدل انتقال الحرارة عن طریق ال convection يتم )∞ Q˙conv = h As (Ts-Tبـ يعنه التعبWhere h = convection heat transfer coefficient, W/m2·°CAs = heat transfer surface area, m2Ts = temperature of the surface, °CT∞ = temperature of the fluid sufficiently far from the surface, °Cيزي حالة شیان المائع فزيىل بتكون مالصقة لحائط الـ pipe ال heatف pipe صلبة، الطبقة ال transfer الconduction q˙conv = q˙condلل متساوي convection یبق عندھا
35 AIChE CAPSULES AIChE SU SCParallel flow over flat plates. parallel flow over flat plates الـ عن ھنتكلمالبدایة الـيزف flow یكون laminar ،ولكن عندما یكون الـ plate طويل، یتحول الشیان إل turbulentعند مسافة تسمXcr من بدایة الـ plate ، عندما یصل الـ number Reynold إل value critical ،یحدث عندھا التحول. ن يوالاالنتقال من الـ flow laminar إل flow turbulent یعتمد عىل:شكل السطح، خشونة السطح، شعة الـ upstream ، درجة حرارة السطح، ونوع الـ fluid. ز وی ھذا االنتقال بواسطة الـتم تعی ي number Reynold ، حیث عندما تصل قیمته إل 5*10^5 یبدأ االنتقال من الـflow laminar إل flow turbulent ،ویصل الـ flow إل turbulent fully عندما يل یصل الـ number Reynoldإل قیمكب ية حوا 3*10^6.اوح قیم الـ Flat Plate للـ Critical Reynold Number تيب ي 10^5 لـ 3*10^6 اعتمادا عىل: زخشونة السطح، الـlevel turbulent ، وتغ يالضغط عىل طول الـ surface. منNusselt Number للـ laminar & turbulent flow الـ إن لنا یتضح heat transfer& localي حالة الـز خالل حساب flow laminar .عن الـ flow turbulent كب ية ف coefficient friction
36 AIChE CAPSULES AIChE SU SCمن خالل حسابات الـ Number Nusselt ، تم استنتاج أيضا إن الـ plate flat عندما تكون معرضة لـlaminar flow الـ یزودuniform heat flux يليل 4 %حوا 36 ،%ویزود الـ flow turbulent حواي عن الـ plate عندما تكو ن الـ plate حالةزف isothermal.Flow across cylinders and spheres.Flow across Cylinder and Spheres by Forced Convection عن هنتكلمالشیان عري ال spheres & cylinders یكون separation flow أو فصل التدفق، وهذا عبارة عن ي حالة حركة مع سطح صلب، تتكون طبقات )إن عندما یكون مائع لزج ف Layers Boundary .. )وقت زا یسم الًانفصال هذه الطبقة عن سطح الصلبكلی separation Flow. Flow separation الـرن يا فنضطر نلجأ معه للتعامل التجرييىك ًصعب التعامل معه تحلیلی أو العددي لنستطيع نخرج عالقة لمعامل االنتقال الحراري بالحمل h عري الـCylinder أو الـSphere الذين نعمل علیھما.یتم تحديد كمیة الحرارة المنتقلة عن طریق s’Newton) Qconv = hAs(Ts - Tlaw of cooling ͚حیث أن h ھو معامل انتقال الحرارة بالحمل و As مساحة السطح و Ts درجة حرارة السطح و ͚Tدرجة حرارة السائل نفسه.
37 AIChE CAPSULES AIChE SU SCياستطاعت التجارب تخرجها وھ لتحديد المعاملكاآلت ن يوبالنسبة للعالقة الNu surface = C * Re^m * Pr^n = (hD)/Kحیث أن :-Nu surfaceز ھو ال Number Nusselt انتقال الحرارة بالحمل إل انتقالها باوھو النسبة ب ي لتوصيل.الـ h ھو معامل انتقال الحرارة بالحمل ،k معامل انتقال الحرارة بالتوصيل وD ھو الطول الـ innerdiameter للشكلReي ھو number Reynolds( قوى القصور الذات زوھو النسبة ب ي force inertia )إل قوى اللزوجة.Prز diffusivity Thermal .إل الـ Diffusivity momentum الـوھو النسبة ب ي (number Prandtl(ھو عدد برانتلأما بالنسبة لـC فهذا ثابت التجربة وm ثابت عددي یتم تحدیدھما بناء عىل شكل الـCylinder أو الـSphere مع مدى الـnumber Reynolds . و n ثابت عددي دائما یساوي 3/1Physical Mechanism of Natural Convectionالھواء تريد ؟يزك ففكرت قبل ذلك لماذا البيضة عندما تي زا ... البيضة تقوم بنقل الحرارة الخاصة بها للھواء، فتعمل طبقة من الھواء الدافًاإلجابة بسیطة جدحولها؛ وتنتقل هذه الطبقة للطبقات الخارجية للھواء .. وهذه عملية تسم بال Natural.convection
38 AIChE CAPSULES AIChE SU SCبما إن الھواء الساخن یكون ذا كثافة أقل )عالقة عكسية(، إذن طبقة الھواء الساخن سوف ترتفع، والبارد سوف تنخفض ..وهكذا. لذلك هذه التيارات الناتجة تسم تيارات الحمل، وعمليةconvection Natural.االنتقال هذه ھ الالزم نعرف قوة الطفو لجسم .. الطفو ھو ظاهرة تحرك ي وعشان نفھم أكي الموائع ألعىل،زاألجسام فالمائع.يزوزنه الظاهري في وب يزوزن الجسم الحقيق وقوى الطفوھ الفرق ب يز، والھواء البارد ھبط .. نفس النظاممثل مثال البيضة، هذا الكالم یشى عىل الھواء .. الھواء الساخن طق زيحدث داخل أي مائع اخر مثل المياه، عنما تتالمس جزيئاته مع سطح ساخن .. تنفصل وتتناثر. وهذاانتقلت إليها من الجسم ویحل محلھا میاه اخرى باردة .. ن ييجعل المياه تطفو ألعىل نتيجة للحرارة اليع.وبـهذا، الطفو مرتبط بالحمل الطبيفبهذا الطفو یتناسب طردي مع الحمل، كل ما الطفو یزید كل ما الحمل الحرارى یزید، ومع ارتفاع درجة يس حرار معكثافته؛ فالبد نستخرج خاصية توضح اختالفكثافة السائلة الجسم، فسوف یتناسب عكنرمز لھا ن يمع درجة حرارته عند وجود ضغط ثابت .. وهذه الخاصية ھ معامل التمدد الحج يم وال)Volume expansion coefficient(β بالرمزونقدر نستخرجه من خالل القانون(β = -(1/density)*(σ*density/σTیتم اإلشارة لحالة السائل بعيدا عن السطح الساخن أو البارد بالـ subscript ∞ الن هذه القیمة عند مسافة بعیدة عن متناول السطح.يع الConvection ال توجدالحمل الطبييزالعموم یزداد بزيادة معدل التیار، وبما إنه فيزف blowersتقدر تجعلنا نتحكم بمعدل تدفق التیار، نحدد التدفق فهذه الحالة عن طریق الموازنة الدینامیكیة ب يزقوى االحتكاك وقوى الطفو.يل تقلل من قوى الطفو، فتقلل من الحمل الحرارى.ي عكس قوى الطفو، فبالتازقوى االحتكاك تعمل فالفضاء ال يوجد مجال جاذبية یقدر یمد األجسام بيزف وزن، فال يوجد convection natural.
39 AIChE CAPSULES AIChE SU SCThermal Radiationال radiation Thermal وهو عبارة عن radiation Electromagnetic ن يينبعث من األجسام الیي تكون حرارتها أعىل من صفر مطلق عىل شكل wave Electromagnetic اوح منطولها المورجي0.1 لـ 100 ، وهذا یضم ي میكرو مي جزء من الـ UV واألشعة تحت الحمراء.وكذلك الضوء المرت الـ radiation of rate maximum الذي یخرج من جسم درحة حرارته Ts یتم احتسابه من Stefan-Boltzman law قانونQ.emit,max=σ*As*Ts^4σ=5.670*10^-8 W/m2.K4 وهذاStefan Boltzman constantیسميل الذييص الجسم المثایخرج أق radiation of Rate یسم الجسم األسود لكن اإلشعاع الذي ینبعث من األجسام الحقيقية یكون أقل من الذي یصدره الجسم األسود عند نفس درجة الحرارة.إذا كان هناك سطح له Emissivity معینة و As درحة حرارةيز)مساحة سطح(معینة وف Ts و enclosedبـ surrounding درجة حرارته Tsurr.
40 AIChE CAPSULES AIChE SU SCهذين السطح يز معدل انتقال الحرارة عن طریق الـradiation يتمب يز) Q.rad = ε*σ*As*( Ts^4 - Tsurr^4بالعالقة يعنه التعبي هذه الحالة الزين یملكھا الـsurrounding ال تؤثر عىل net ف Emissivity ومساحة السطح ال.radiation heat transferBlackbody Radiationكل االتجاهات عىل مدى واسع منيزأي جسم له درجة حرارة أعىل من الصفركلڤن يبعث إشعاع فتعتمد عىلتنبعث بواسطة السطح عند طول مورجي مع يز ن ياألطوال الموجیة،كمیة طاقة اإلشعاع المادة الجسم وظروف السطح ودرجة حرارته.يل األجسام المختلفة من الممكن أنتبعثكمیات إشعاع مختلفة لكل وحدة المساحات ح ن وبالتا إذايع أن یخطر عىل ذهنناما هو الجسم الذي یبعث أكريكمیة منكانوا عند نفس درجة الحرارة. من الطبياإلشعاع عند درجة حرارة معینة؟
41 AIChE CAPSULES AIChE SU SCيل أو ما یسم بالجسم األسود وھو عبارة عن ممتص أو بايل هذا یقودنا إننا نعرف الجسم المثاعث مثامن، ال يوجد أي سطح یقدر یبعث طاقة أكي لإلشعاع. عند درجة حرارة معینة وطول مورجي مع يزالجسم األسود.ي جمیع االتجاهات لكل وحدة مساحةزالجسم األسود كذلك یبعث طاقة اإلشعاع بشكل موحد فالصورة(، عىل هذا األيزوتكون بشكل عمودي عىل اتجاهاالنبعاث )مثلما واضح ف ساس الجسم األسود يم بالـُس emitter diffuse ومصطلح diffuse معناه إنه ال يعتمد عىل االتجاه.الطاقة اإلشعاعية المنبعثة من الجسم األسود لكل وحدة زمنیة ولكل وحدة مساحة تم تحدیدھا بشكل experimental نعريعنھا بهذا القانون ن يبواسطة جوزيف ستيفان والEb (T) = Stefan–Boltzmann constant*T^4Stefan–Boltzmann constant = 5.67*10^-8 يھ . 4^K.2^m/W درجة الحرارة المطلقة بالكلفنTوالـبواسطةًهذه العالقة تم إثباتها نظریا Boltzmann،لذلك هذه المعادلة تمت تسميتها بـ–Stefan.Boltzmann lawي والـ Eb المعادلة یطلق علیھا اسزف م القوة اإلنبعاثیة للجسم األسود.
42 AIChE CAPSULES AIChE SU SCRadiative Propertiesيل بعدما لإلشعاع وتعرفنا أنه ال یمكن أليتعرفنا ما ھو الجسم األسود وتعرفنا أنه باعث أو ممتص مثانفس درجة الحرارة. لذلك، الجسم األسود ممكنيزمن الجسم األسود فجسم أنه یبعث إشعاع أكي ي وصف خصائص االنبعاث واالمتصاص للسطوح الـزنعتريه بمثابة مرجع مناسب ف real. بعض الخصائص اإلشعاعية:Emissivity اإلشعاع المنبعث من السطح عند درجة حرارة معینة إل اإلشعاعانبعاثیة السطح تمثل النسبة ب يزيل فاالنبعاثیة مقياس لمدى التقارب ب يز المنبعث من الجسم األسود عندنفس درجة الحرارة، وبالتايزالجسم أسود. وبتكون فزالسطح وب ي rangeزما ب ي الصفر والواحد، وتساوي واحد للجسم األسود.بالنسبة لألسطح الحقیقیة، فاالنبعاثیة ال تكون ثابتة. لكن تختلف مع درجة حرارة السطح وكذلكالطول المورجي واتجاه اإلشعاع المنبعث. وهذامعناه، إنه من الممكن تحديد انبعاثات مختلفة للسطح،ا عىل الـً ن ي وهذا اعتماد effectsال االعتبار.يزیتم أخذھا فAbsorptivity, Reflectivity, and Transmissivity ء من حولنا یصدر إشعاع باستمرار، واالنبعاثیة تمثل خصائص االنبعاث لرسيكل هذه األجسام. وهذامعناه أن كل جسم یتعرض باستمرار إلشعاع یكون قادم من كل االتجاهات عىل نطاق من األطوال الموجیة.یسم تدفق اإلشعاع الساقط عىل سطح ما بالـ irradiation ویرمز له ب G. ، إنيعندما یصطدم اإلشعاع بسطح ما، یتم امتصاص جزء منه وینعكس جزء منه وینتقل الجزء المتبق الصورة. ویطلق عىل جزء اإلشعاع الذي یمتصه السطح اسميزوجد، مثلما ھو موضح ف absorptivity، والجزء الذي یعكسه السطح اسم reflectivity،والجزء المنقول اسم transmissivity.
43 AIChE CAPSULES AIChE SU SCFluid Mechanicalبداية campaign جديد يسم بـ mechanics fluid تمثل جزء من الـوال sciences physical ن يأول مقال منيزوف campaign ،والبداية بـ مقدمة عن الـ Fluids وبعض خصائصها.البداية الـيززي الـ Fluid والمادة الصلبة هو مدي ف Fluid أو المائع هو عبارة عن غاز أو سائل. الفرق ب قدرة المادة عىل تحمل الـ Stress Shear شكل المادة.يزتغ يفيزالذي يمكن ان يتسبب في شكلها، لكن المادة السائلة شكلها يتغ يبطريقة منتظمة نتيجة للـزفـ المادة الصلبة تقاوم التغ يفShear Stress الذي تم تطبيقه عليها.Classification of Fluid Flowوهنا بعض التصنيفات للـ Fluid Flow:Steady/ Unsteady Flow -. Compressible/ Incompressible Flow -One-, Two-, and Three-Dimensional Flows -Viscous/ Inviscid Regions of Flow -Laminar/ Turbulent Flow -Internal/ External Flow -من أهم خصائص الـ Fluids:- خاصية الـ Vapor Pressure:ي وهو عبارة عن الضغط الذي يسببه الـ Vapor حالة اتزان مع السائل عند درجة حرارةزعندما يكون في حالة الـزمعينة، وف liquid يكون مساوي لل. PV=P(sat) (Saturation Pressure)أحيانا إذا كان الضغط أقل من الضغط البخاري للـ Fluid ،يمكن أن تتكون bubbles ،هذه الظاهرة بتس يم Cavitation ،”وتسبب Erosion الـ بظاهرة التكهف \"يزف blades impeller ،لهذا السبب تصميميزاالعتبارفيزيتم أخذها ف Turbines Hydraulic & pumps- خاصية الـ Viscosity( اللزوجة ):يه عبارة عن مقاومة الـو Fluid للحركة. اللزوجة تحدد معدل الـ Strain للـ Fluid الذي يحدث عندما يه يتم تطبيق الـ Stress Shear درجة الحرارة.عليه. من العوامل المؤثرة عىل اللزوجة
44 AIChE CAPSULES AIChE SU SCFluid staticsHydrostatics & aerostaticsمقدمة عن الـ statics fluid أو ما يسم بـ استاتيكا الموائع.استاتيكا حالة سكون )يزيه تتعامل مع الفلويد وهوف(. بمع زن الموائع rest at إنه ال يوجد حركة نسبيةينتج عن هذا عدم وجود ن يب ي .stress shear ز طبقات الفلويد المتجاورة والالـ stress الوحيد الذي يتم التعامل معه هنا هو الـ normal او هو ما يسم بالـ pressureيز، والتغ يفيه الضغط سببه الوحيد هو وزن الفلويد. وكما نعلم أن الفلويد إما سائل أو غاز، فالـ statics fluidي hydrostatics حال إن الفلويد سائل وزي حال إنه غاز.ف aerostaticsزفتحديد القوى المؤثرة عىل الـيزيىه تستخدم فوبالحديث عن أهمية استاتيكا الموائع؛ ف floating أو bodies submerged ،والقوى الناتجة عن أجهزة مثل رافعات السيارات، وكذلك تصميمكث ي منتأثر عىل ن يتتطلب تحديد القوى ال ن ياألنظمة الهندسية مثل السدود وصهاريـ ـج تخزين السوائل الأسطحها.من التطبيقات عىل الـ :pressure- Hydraulic Jackي وهنا نستخدم مبدأ إن الـ pressure نفس المستوي لنفس الفلويدزبيكون متساوي عند نقطت يز فيليل عند تغي يالمساحة المعرض لها الضغط تتغ يالقوة الناتجة عن هذا الضغط. وبالتاالساكن. وبالتاعن طريق تطبيق قوة صغ ية يمكن الحصول عىل قوة أكريبأضعاف.- Manometerقياسيزوهذا جهاز يستخدم ف ضغط فلويد عن طريق نفس المبدأ.- Barometerي وهذا قياس الضغط الجويكذلك عن طريق نفس المبدأ.زجهاز يستخدم ف
45 AIChE CAPSULES AIChE SU SChydrostatic forces on planar surfacesيمكن يكون عليها الـ ن ياألوضاع ال plane ، أو مائل بزاوية.ييه إما عمودي، أو أفق يكون فيها الجانب األخر للـ ن يالحالة الييل زسنتحدث االن ف plane معرض للهواء الجوي، وبالتاي هذه الحالة يتم التعامل مع الـزيكون محصلته صفر، وفالضغط الجوي المؤثر عىل الجانب ي gage زpressure فقط.وسوف نعرف كيف يتم تحديد قيمة الـ force hydrostatic ونقطة التأث ي).(pressure of center1- Horizontal plane:هنا القوة تساوي الضغط*المساحة. والضغط هنا يساوي االرتفاع*الكثافة*عجلة الجاذبية.المنتصف بسبب إن الـيزأما عن نقطة التأث يف forces hydrostatic ن مجموعة من القوى يىه فّبتكوالمتوازية عىل الـ plane وهنا بتكون كلها متساوية.2- Inclined planeالـزي هنا يتم عمل محاور مركزها نقطة االلتقاء ما ب ي surface free والـ plane اتجاهز، محور ف y عىل طول الـ plane ومحور عمودي عليه. والقوة هنا تساوي المساحة*االرتفاع*الكثافة*عجلة الجاذبية.ولكن االرتفاع هنا هو االرتفاع العمودي من منتصف الـ plane للـ surface free ،وهو يساوي الطول إل منتصف الـ plane يصنعهامع الـ ن يي جيب الزاوية الززضوب فfree surface. مونقطة التأث يهنا بيكون لها قانون وهو المسافة إل منتصف الـ plane عىل طول y( + الـ secondي area of moment نفس المسافة إلززضوبة فمقسوم عىل المساحة المعرض ليها الضغط ممنتصف الـ .(plane3- Vertical planeيل جيب الزاويةي حالة المستوي المائل لكن الفرق هنا أن الزاوية قائمة وبالتازيه نفسها فوهنا القوةيل االرتفاع هو المسافة إل منتصف الـرش بواحد وبالتا planeمبا ة.من الـأما نقطة التأث يف surface free تعري عن يىه عىل ارتفاع التلت يز ن ي ن ي يه مركز المثلث ال)والتوزيـ ـع الضغط عىل المستوي هذا العمودي(.
46 AIChE CAPSULES AIChE SU SChydrostatic forces on curved surfacesمنكونهامستوية. حساب الـالتطبيقات العملية، تكون األسطح منحنية أكي ريزhydrostatic force فتغ ياتجاهها عىل طول ن يتتطلب عمل تكامل لكل قوى الضغط الالمحصلة المؤثرة عىل سطح منحزن ي.هذا السطح المنحزن يي مستوي )أو بمع زن أسهل طريقة هنا لحساب القوة المحصلة )Fr اخرزبأثر عىل سطح منحزن ي ف ن ي( ال( هو تحديد مركبت ي والعمودي،كل مركبة عىل ز plane dimension-two القوةياالتجاه األفق يزفحدا.إن الـًللسائل يكون إن السائل محاط منكل االتجاهات بـ سطح المنحزن ي هذا يحدث اعتبارا FBDالصورة.يزكما فالمنحزن ييز( يمروا بطرفي)واحد عمودي وواحد أفق مستوي يزوسطح يزي هذا السطح العمودي هو ببساطة عبارة عن إسقاط المستوي العمودي وكذلكزالسطح المنحزن ي فتأثر عىل ن ييل القوة المحصلة ال. وبالتايالمستوي األفق يزي هو إسقاط السطح المنحزن ي فالسطح األفق السائل لكن عكس االتجاهتأثر عىل السطح المنحزن ي ن يالصلب يه نفسها القوة الالسطح المنحزن يلقانون نيوتن الثالث.ًوهذا تبعاي وبذلكزا المركبة األفقية( واثن يز فًتساوي دائم ن ي)والياالتجاه األفق يزيكون هناك ثالث قوى؛ واحدة فيس يه وزناالتجاه الرأيزي فالالت يه المركبة الرأسية(. قوة من االثن يزمحصلتهم ن ييس )والاالتجاه الرأألسفل.ًي مركز السائل واتجاهها دائمازيه تأثرفالسائل ويع لمجموع مربـع المركبت يز قيمة القوة .بييه بتساوي الجذر الي ويه محصلة المركبت يزالمحصلةتساوي المركبة العمودية عىل المركبة األفقية. ن يواتجاهها نقدر نحسبه من ظل الزاوية ال
47 AIChE CAPSULES AIChE SU SCbuoyancyيه وزنه. وبما إنهيؤثر بها الجسم عىل السائل ن يي سائل.. القوة الزي جسم مامغمورفلوف وضع ثبات زيزفاالتجاه وخط عملهميزقوة ثانية لها نفس مقدار وزن الجسم وعكسه فيز)استقرار(، فالبد ان يكون فواحد.الضغط عىل الجسم. مما يع زن ي هذه القوة تسم بـ force buoyant انه بفرضيزوتنشأ بسبب الفرق فيزإن ف plate الـرن يي ماء، جانزيل موجود ف plate يكون عليهم نفس تو محصلتهمزيـ ـع الضغط وبالتاصفر.َ لكن سطح وقاع الـ plate ظ أن الضغط مختلف بسبب اختالف االرتفاع )الذي ينتج عن سمكالحُ، ي(. وفرق الضغط ي .force buoyant ز الـ plate هو قيمة الـالـ force buoyant فرق االرتفاع )سمك الـيزي عجلة الجاذبية فزتساويكثافة السائل ف plateيز( فيل مساحة السطح للـ plate .وبما إن سمك الـ plate الـيه حجمه. بالتاي مساحة سطحهزف buoyantي force حجم الـزي عجلة الجاذبية فزتساويكثافة السائل ف .plateيطفو عىل سطح السائل بمع زن إذا كان الـ plate إن جزء من حجمه فقط هو المغمور.. فهنا حجم الـَ plate ر الحجم الذي تمالمعادلة سوف يكون حجم الجزء المغمور منه فقط أو بمع زن آخيزالذي فيزي عجلة الجاذبية فزي هذا إن الضغط عند القاع يساويكثافة السائل فزإزاحته من السائل. والسبب فاالرتفاع من قاع الـ plate لمستوى سطح السائل.يل، بالتامتساوت يزي وكما ذكرنا أن القوت ي حجم الجزء المغمور من ززي عجلة الجاذبية فزكثافة السائل فالجسم )الـ force buoyant حجم الجسم )وزنيزي عجلة الجاذبية فز( بتساويكثافة الجسم فيل حجم الجزء المغمور بالنسبة ال حجم الجسم يساويكثافة الجسم بالنسبة الالجسم(. وبالتاكثافة السائل. ن ي وهذه العالقة توض أعىل تغوص وإذاكانت ن ي كثافتها أقل منكثافة الماء تطفو والح أن األجسام الالصورة.يزتساويـها فسيكونكل الجسم مغمور ومعلق داخلهاكما فوهذا يوضح كيف عرف أرخميدس أن التاج الذي أعطاه إياه الملك ه يون وطلب منه أن يفحصهليس من الذهب الخالص.
48 AIChE CAPSULES AIChE SU SCStabilityيه موضوع اليوم عن الـ stability تطبيق مهم عىل فكرة الـ ن ي و buoyancy تحدثنا عنها بالسابق.الأهمية الـ stability تصميم السفن والغواصات.يزتكمن ف:يي موضع استقرار، إذا تم التأث يعىلكلكرة بقوة إلزاحتها سيحدث اآلت زي فالثالثكرات الالت ا ح ن تسكن عند موضعها األص يىل. وهنا الكرة تكونًا ويسارًالتحرك يمينيزيل: الكرة ستبدأ فالحالة األوstable.ي موضعها الجديد، فلن يكونزاتجاه القوة وبعد ذلك تسكن فقط هنا فيزالحالة الثانية: الكرة ستتحرك في حركتها. وهزعندهاميل لتعود لموضعها األص يىل نا تكون .stable neutrally أو أنها تستمرفالحركة وهذايزالحالة الثالثة: أنه إذا تعرضت لقوة مهماكانت بسيطة ستبدأ بالتحرك وسوف تستمرفسيجعلها بمرور الوقت تبتعد عن موضعها األص يىل .unstable . وهنا تكون)يًي مغمور جزئيا، أحدهم مغمور بالكامل داخل سائل والثات زإذاكان هناك جسم ي ق عليهم زِبُطفو( وطألعىل أو ح ن ألسفل، ماذا سوف يحدث؟ًقوة إلزاحتهم عموديايل سيكوني موضعه الجديد وبالتازبالنسبة للجسم المغمور بالكامل سوف يستقرف neutrallyيل stableسيعود لموضعه األص يىل فور ما يتم إزالة التأث يالخاررجي وبالتاً. لكن الجسم المغمور جزئيايزهوف حالة stability من نوع الـ .verticalر من الـَي هناك نوع آخ stability يسم rotational دورانزأن التأث يعىل الجسم هنا يكون فبمع زن يهذا يعتمد عىل مكان مركز الـًالجسم. بالنسبة لألجسام المغمورةكليا G (gravity )ومركز الـ B (buoyancy .)إذاكان الـ G تحت الـ B فهنا الجسم stable سيعود لنفس موضع البداية.ً وإذا كان الـ G فوق الـ B فهنا يكون unstable عىل عقب. وإذاكان الـ، ألنه سوف ينقلب رأسا G والـ Bمنطبقان فهنا يكون stable neutrally ،سوف يستقر عىل نفس الموضع.، لكن يوجد اختالف واحد إذاكان الـًنفس الحاالت إذاكان الجسم مغمور جزئيا G فوق الـ B يمكن أن ً يكون الجسم هنا stable ،وهذا بسبب أن الـ B موضعها يتغ يلكن G موضعها ثابت.دائماتقاطع محوري الـ G والـ B ينتج عنه نقطة M .إذاكانت الـ M فوق الـ G يكون stable ،لكن لو تحتها فسوف يكون .unstable
49 AIChE CAPSULES AIChE SU SCBernoulli equationاليزيس فيل تعتريأهم معادلة مستخدمة بشكل أسامعادلة برنو .mechanics fluidييات ما الذي يزيد من شعة المياه الخارجة من خرطوم المياه إذا تم الضغط عىل نهايته أو ما المبدأ الف ي زالذي يجعل طائرة ركاب وزنها ٥٠٠ ألفكيلوجرام تولد قوة دفع يساعدها عىل الط يان الرتفاعات؟ًعالية جدا:ييل شكلهاكاآلت معادله برنوP + (density/2) *V^2 + density*g*h =constantتصف المعادلة السابقة العالقة ب يز شعة وضغط وارتفاع السائل المتدفق، وتوضح العالقة أنمجموع الثالث حدود يظل ثابت عىل طول خط االنسياب.وبما أنه يتم جمع ثالث حدود مع بعضهم، أنهم من نفس النوع وهذا صحيح كلهم عبارة عن ي جزء الـضغوطات فقط لهم أسماء مختلفة. أول جزء الـ P يسم pressure staticوثات ز)V) *2/density^2 يسم pressure dynamic ويمثل الطاقة الحركية للسائل. أما الجزء األخ يh*g*density يسم pressure hydrostatic ل من السائل بسبب الجاذبية.َبذُوالذي ييل عىل شكل األنبوبة باألسفل هل ضغط السائل يكون أعىل عند النقطةبقت معادلة برنوُإذا ط 1 ام عند نقطة 2؟،ًاالرتفاع قليل جدايزيل سوف نجد أن الفرق فبقت معادلة برنوُإذا ط عالقةيل تتبق يمكن اهماله بالتا، والعالقة بينهما بالتأكيد عالقةي ن ي يه الجزء الثات زالضغط الذي هو الجزء األول والشعة والب يزيساوي ثابت.عكسية ألن مجموع الجزئ يزوبذلك لو زاد الضغط الشعة تقل ولو زادت الشعة يقل الضغط ليظل مجموعهم ثابت.م قل؟ ن ي ستكون الشعة االشعة والضغط عالقة عكسيةيه بما أن العالقة ب يزبها الشعة أقل ن ييل ستكون النقطة البالتايىل وهذه يمكن تحديدها بالـبها الضغط أعنقطة ال equation continuity تقول بإيجاز أن ن ي ن يوالي شعة السائل مقدار ثابت.زحاصل زضب المساحة فيل تكون شعة السائل ن ي وبالتا أقل عند النقطة 1 يكون عندهايل يه النقطة الألن مساحتهاكب ية وبالتايىل.ضغط سائل أع
50 AIChE CAPSULES AIChE SU SCThree laws of Newton’s motionز سوف نتحدث عن law first s’Newton ي حالة، والذي ينص عىل \"سيظل الجسم المتحرك في حالة سكون، ما لم يتم التأث يعليه بقوة خارجية\". لو أثرت قوةزحركة، وسيظل الجسم الساكن فخارجية عىل جسم ساكن تتحول حالة الجسم من السكون للحركة، وهنا يكون الجسم أكتسب acceleration نتيجة التأث يعليه بقوة.ً القانون لنيوتن. والذي ينص عىل \"إذا أثرت قوة عىل جسم ما فيكتسب تسارع، يتناسب طرديايالثات زالعجلة، ووحدة قياسها نيوتن.يززضوبة فمعكتلة الجسم\"، والقوة تساوي الكتلة مًمع القوة وعكسياي حالة حركة ستظزي حالة السكون، وإذاكان فزإذا تم التأث يعىل الجسم بقوى سيظل الجسم ف ل شعته ثابتة، وهذه الحالة تعرف باالتزان، ولتوضيح االتزان البد ان يتم توضيح قانون نيوتن الثالث. والذياالتجاه\"، وتكون القوة )رد الفعل(يزالمقدار ومضاد له فيزينص عىل\" لكل فعل رد فعل مساوي له فسم بـُعمودية عىل سطح الجسم وت ”Force Normal ،\"وتساوي قوة )الفعل(، ولكن بإشارة سالبة.يح فيماي رسم توضيز، يتم تحليل القوى المؤثرة عىل الجسم فلو أثرت قوى مختلفة عىل جسم مع يزيس يسم \"diagram body Free تساوي صفر،ي والرأاالتجاه األفق يز\". إذاكانت محصلة القوى في حالة اتزان.زيكون الجسم ف