شرح درجة الحرارة الانعكاسية

مقدمة

إن مفهوم درجة الحرارة الانعكاسية مهم للغاية في مجالات الديناميكا الحرارية والكيمياء والفيزياء، خاصة في فهم سلوك الغازات والأبخرة. ويشير هذا المفهوم إلى درجة الحرارة التي يصبح عندها الحجم النوعي للغاز مساوياً لحجمه النوعي عندما يكون في طوره السائل. وبعبارة أبسط، هي درجة الحرارة التي يمكن عندها تسييل الغاز بزيادة الضغط، دون الحاجة إلى خفض درجة الحرارة.

تعريف درجة حرارة الانعكاس

في سياق الغازات، تُعرَّف درجة حرارة الانقلاب بأنها درجة الحرارة التي لا يمكن تسييل الغاز فوقها بالضغط وحده. وتحت درجة الحرارة هذه، يمكن أن تؤدي زيادة الضغط على الغاز إلى تكثيفه إلى سائل.

وغالبًا ما يرتبط المصطلح بالغازات الحقيقية ( الغازات التي تُظهر سلوكًا غير مثالي) على عكس الغازات المثالية . تنحرف الغازات الحقيقية عن قانون الغاز المثالي، خاصة عند الضغوط العالية ودرجات الحرارة المنخفضة. ودرجة حرارة الانعكاس هي خاصية مميزة لكل غاز وهي عامل رئيسي في تحديد ما إذا كان يمكن تسييل الغاز من خلال الضغط.

الشرح الرياضي والديناميكي الحراري

يمكن فهم مفهوم درجة الحرارة الانعكاسية من حيث معادلة فان دير فال، وهي معادلة حالة للغازات الحقيقية. تفسر هذه المعادلة السلوك غير المثالي للغازات من خلال دمج قوى الجذب بين الجزيئات والحجم المحدود لجزيئات الغاز.

بالنسبة للغازات الحقيقية، يتم التعبير عن معادلة فان دير فال على النحو التالي

(P+a /V^2)*(V-b)=RT

حيث:

• P = الضغط
• V = الحجم
• أ = ثابت فان دير فال للتجاذب بين الجزيئات
• b = ثابت فان دير فال للحجم الذي تشغله الجزيئات
• R = ثابت الغاز
• T = درجة الحرارة

عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة الانعكاس، تمتلك جزيئات الغاز طاقة حركية كافية للتغلب على قوى الجذب بين الجزيئات، مما يمنع التسييل حتى عند الضغط. ولكن، تحت درجة الحرارة هذه، تكون قوى الجذب قوية بما يكفي لإمكانية تسييل الغاز عند الضغط.

ودرجة حرارة الانعكاس هي نقطة حرجة حيث تتغير طبيعة الغاز من سهولة انضغاطه إلى سائل إلى حالة لا يمكن فيها للضغط وحده أن يسبب التكثيف.

العوامل المؤثرة على درجة حرارة الانقلاب

تؤثر عدة عوامل على درجة حرارة انقلاب الغاز:

التركيب الجزيئي:

يلعب التركيب الجزيئي للغاز وبنيته دورًا حاسمًا في تحديد درجة حرارة انعكاسه. تميل الغازات ذات الجزيئات الأكبر حجماً والأكثر تعقيداً (مثل ثاني أكسيد الكربون) إلى أن تكون درجة حرارة انعكاسها أقل.

القوى بين الجزيئية:

الغازات ذات القوى بين الجزيئية الأقوى (مثل قوى الترابط الهيدروجيني أو قوى فان دير فال) عادةً ما تكون درجة حرارة انعكاسها أقل، حيث من المرجح أن تتكثف الجزيئات في الطور السائل عند درجات حرارة أقل.

الحجم الذري:

يمكن أن تتعرض الذرات أو الجزيئات الأكبر حجمًا التي تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات لقوى تشتت أقوى في لندن، مما يزيد من احتمال التسييل عند درجات حرارة أقل، وبالتالي خفض درجة حرارة الانعكاس.

درجة حرارة الانقلاب وتسييل الغازات

تكتسب درجة حرارة الانعكاس أهمية خاصة في دراسة تسييل الغازات. على سبيل المثال، تبلغ درجة حرارة انقلاب ثاني أكسيد الكربون (CO₂) حوالي 31 درجة مئوية. هذا يعني أنه عند درجات حرارة أعلى من 31 درجة مئوية، لا يمكن تسييل ثاني أكسيد الكربون₂ بزيادة الضغط وحده، بغض النظر عن مقدار الضغط المستخدم. ومع ذلك، عند درجات حرارة أقل من 31 درجة مئوية، يمكن ضغط ثاني أكسيد الكربون₂ إلى سائل.

هذا المبدأ مهم في العديد من العمليات الصناعية، مثل:

-التبريد: في دورات التبريد، تُستخدم غازات مثل الأمونيا والفريون. يساعد فهم درجة حرارة الانعكاس في تصميم الأنظمة التي تحافظ على الغاز في الحالة الصحيحة (سائل أو غاز) عند الضغوط ودرجات الحرارة المطلوبة.

-تسييل الغاز: تسييل الغازات الطبيعية (مثل الميثان) هي عملية يتم فيها تبريد الغازات وضغطها. وتساعد درجة حرارة التسييل المهندسين على تحديد ظروف التشغيل للتسييل.

-لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

درجة حرارة الانعكاس في التطبيقات العملية

علم التبريد

علم التبريد هو علم إنتاج ودراسة درجات الحرارة المنخفضة جدًا. تعتبر درجة حرارة الانعكاس حيوية لفهم وتحقيق تسييل الغازات في العمليات المبردة. على سبيل المثال، يتم إنتاج الأكسجين المسال والنيتروجين عند درجات حرارة منخفضة للغاية، أقل بكثير من درجات حرارة الانقلاب.

معالجة الغاز الطبيعي:

في صناعة الغاز الطبيعي، يتم تبريد الغازات مثل الميثان وضغطها لنقلها. تُعلم درجة حرارة الانعكاس المهندسين بكيفية التعامل مع الضغط ودرجة الحرارة لتسييل هذه الغازات أو نقلها بكفاءة.

تأثير جول-تومسون:

ترتبط درجة حرارة الانعكاس بتأثير جول-تومسون الذي يصف كيفية تمدد الغاز أو انكماشه عند السماح له بالتمدد عبر صمام أو سدادة مسامية. بالنسبة لمعظم الغازات، عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة الانعكاس، يؤدي التمدد إلى التسخين، بينما يؤدي التمدد إلى التبريد عند درجات حرارة أقل منها. ويُستخدم هذا المبدأ في تقنيات التبريد وتمدد الغازات.

تكييف الهواء:

يسمح فهم درجة حرارة الانقلاب لغازات التبريد المستخدمة في أجهزة تكييف الهواء للمهندسين بتصميم أنظمة تبرد وتضغط المبرد بكفاءة من أجل التبادل الحراري.

الأسئلة المتداولة

ما هي درجة حرارة الانعكاس؟

درجة حرارة الانقلاب هي درجة الحرارة التي لا يمكن تسييل الغاز فوقها بالضغط وحده. وتحت درجة الحرارة هذه، يمكن أن تتسبب زيادة الضغط في تكثيف الغاز إلى سائل. وهي خاصية مميزة لكل غاز وتعتمد على بنيته الجزيئية والقوى بين الجزيئية.

ما أهمية درجة حرارة الانعكاس في تسييل الغاز؟

تحدد درجة حرارة الانقلاب ما إذا كان يمكن تسييل الغاز بزيادة الضغط. بالنسبة للغازات التي تزيد درجة حرارتها عن درجة حرارة الانقلاب، لن تتسبب أي كمية من الضغط في التكثيف. يساعد فهم درجة الحرارة هذه في تصميم العمليات الصناعية مثل التبريد وتسييل الغاز الطبيعي والتبريد.

كيف تؤثر درجة حرارة الانعكاس على تأثير جول-تومسون؟

ترتبط درجة حرارة الانعكاس بتأثير جول-تومسون الذي يصف كيفية تغير درجة حرارة الغاز عندما يتمدد أو ينكمش. إذا كان الغاز أعلى من درجة حرارة الانعكاس، فإن التمدد يسبب التسخين؛ وإذا كان أقل، فإن التمدد يسبب التبريد. هذا المبدأ مهم في تطبيقات مثل التبريد وتكييف الهواء.

ما العوامل التي تؤثر على درجة حرارة انقلاب الغاز؟

هناك عدة عوامل تؤثر على درجة حرارة الانقلاب، بما في ذلك التركيب الجزيئي للغاز، وقوة القوى بين الجزيئية (مثل الرابطة الهيدروجينية أو قوى فان دير فال)، والحجم الذري. تميل الجزيئات أو الغازات الأكبر حجمًا والأكثر تعقيدًا ذات القوى بين الجزيئية الأقوى إلى أن تكون درجة حرارة انعكاسها أقل.

هل يمكن استخدام درجة حرارة الانقلاب لاختيار الغازات للتطبيقات الصناعية؟

نعم، تلعب درجة حرارة الانقلاب دورًا رئيسيًا في اختيار الغازات للتطبيقات الصناعية. على سبيل المثال، في التبريد والتبريد، يضمن اختيار غاز بدرجة حرارة انعكاس مناسبة التشغيل الفعال في ظل ظروف الضغط ودرجة الحرارة المطلوبة. كما يساعد أيضًا في تحسين العمليات مثل تسييل الغاز ونقله.