بررسي آلاينده ها در سيستم هيدروليك

يكي از علومي كه بيشترين كاربرد را در صنايع مختلف به خود اختصاص داده, علم هيدروليك است. البته علوم ديگري نظير شيمي, مكانيك سيالات و ترموديناميك نيز به كمك اين علم آمده و تلفيقي از آنها را به صورت ساده در يك سيستم هيدروليك مي توان مشاهده كرد.
از طرفي با توجه به نقش اساسي و مهم سيال هيدروليك (انتقال نيرو), بحث آلايندگي آن از اهميت بسيار زيادي برخوردار است. در يك سيستم هيدروليك, سيال هيدروليك با تغيير جهت نيرو و همچنين تغيير مقدار آن باعث حذف يك سري از عمليات مكانيكي در سيستم مي شود كه بعنوان مثال از حذف استفاده از دنده ها, اهرم ها و نيز حذف تنش هاي شديد اجزاي مي توان سيستم نام برد. همچنين سيال هيدروليك به دليل انتقال سريع نيرو و تا فاصله زياد, در شرايط دما و فشار بالا بازدهي بهتري خواهد داشت. 
براساس نظر كارشناسان تعميرات و نگهداري, حدود80 درصد خرابي ها در سيستم هيدروليك, نتيجه مستقيم آلودگي سيال آن است. بنابراين با انتخاب يك سيال مناسب و همچنين كنترل آلاينده ها مي توان آسيب هاي ناشي از آلاينده ها را به حداقل رساند. در اين مقاله آلاينده هاي سيستم هيدروليك به طور اجمالي معرفي شده و هر كدام به صورت جداگانه بررسي مي شود. 

حرارت بيش از اندازه (Over Heat) 
متاسفانه در بسياري از موارد, حرارت به عنوان يك آلاينده در نظر گرفته نمي شود. يكي از عوامل بوجود آمدن حرارت بيش از اندازه در سيستم مي تواند مربوط به انتخاب نادرست گريد (ISO VG) روغن هيدروليك باشد. بدين ترتيب كه چون در شرايط روانكاري هيدرو ديناميك تنها اصطكاك موجود, اصطكاك داخلي روغن در گردش است, اگر گريد مصرفي بيش از گريد توصيه شده باشد به دليل افزايش اصطكاك داخلي, دماي روغن به شدت افزايش مي يابد. بر اثر افزايش غيرعادي دماي روغن, روند اكسيداسيون از حالت تدريجي خارج شده و روغن پايه به سرعت اكسيد 
مي شود. (پس از شروع اكسيداسيون به ازاي هر15 درجه سانتيگراد افزايش دما, شدت اكسيداسيون, دو برابر مي شود) نتيجه اين امر كاهش ادتيوهاي آنتي اكسيدان و در نهايت كاهش عمر مفيد روغن خواهد بود. 
از دلايل ديگر Over Heat مي توان به انجام تماس فلز با فلز در اثر وجود اشكال فني در سيستم و برقراري شرايط روانكاري مرزي اشاره كرد كه باعث سايش مكانيكي قطعات مي شود. در برخي موارد نيز بدليل طراحي نامناسب, انتقال حرارت موثر بين سيستم و محيط انجام نشده و در شرايط آب و هوايي گرم, تاثير پذيري سيستم از محيط بسيار زياد مي شود. 
در نهايت با افزايش عدد اسيدي و تحليل ادتيوها در روغن, ميزان خوردگي و زنگ زدگي قطعات نيز افزايش مي يابد. از طرف ديگر بدليل افزايش گرانروي روغن (اكسيداسيون) جريان روغن درون سيستم كاهش يافته و بدليل افت فشار, دقت كنترل سيستم كاهش خواهد يافت. 

براي رفع چنين مشكلاتي در سيستم مي توان ضمن انتخاب صحيح گريد سيال هيدروليك و نيز اطمينان از طراحي مناسب, با افزايش ظرفيت تغذيه روغن و همچنين افزايش سرعت گردش آن, دماي روغن را در حد مطلوب كنترل كرد كه بنا به عقيده كارشناسان تعميرات دماي روغن در مخزن اصلي هيدروليك, نبايد از60 درجه سانتيگراد تجاوز كند. 
آلايندگي ذرات جامد (Solid Particle Contamination) 
در يك سيستم هيدروليك بدليل اينكه امكان حذف كامل ذرات جامد از سيال هيدروليك وجود ندارد, بناچار براي آلايندگي ناشي از ذرات, يك محدوده تعريف مي شود. در سيستم هاي امروزي كه داراي لقي مجاز (Clearance) بسيار كمي بوده و در فشارهاي به نسبت بالا (بيشتر از 7 bar ) كار مي كنند كنترل آلاينده هاي جامد از اهميت بسيار زيادي برخوردار است. منابع ورود ذرات جامد به سيستم مي تواند از طريق هواي ورودي به سيستم از محيط (گرد و غبار), ذرات عبوري از آب بندها, باقي ماندن ذرات درون سيستم هنگام نصب قطعات و نيز ذرات حاصل از سايش داخلي قطعات باشد. حضور اين ذرات در سيستم مي تواند سبب بوجود آمدن صدمات مكانيكي (پارگي شيلنگها و شكستن Valve ها), سايش و خراشيدگي سطوح فلزي, گرفتگي فيلترها و در نهايت ايجاد افت فشار در سيستم شود كه نتيجه اين امر كاهش ميزان توليد و افزايش هزينه هاي كلي تعميرات خواهد بود.
براي جلوگيري از ورود ذرات به سيستم, بايد تمامي سيالات, قبل از ورود به مخزن, فيلتر شده و در نواحي قرارگيري سيستم در معرض هواي محيط, فيلترهاي مناسب بكارگرفته شوند. هم چنين فلاشينگ نهايي سيستم پس از نصب قطعات (قبل از راه اندازي) و نيز بازرسي شرايط آب بندها و درپوش مخازن مركزي مي تواند مانع ورود ذرات جامد به سيستم شود. از طرفي بررسي فيلترها از نظر مش صحيح ( اندازه منافذ و تعداد) و جنس آنها با توجه به نوع عمليات, مي تواند بازدهي فيلتراسيون را در سيستم افزايش داده و با در نظر گرفتن لقي مجاز قطعات مي توان محدوده مناسبي براي آلاينده ها تعريف كرد. 

يكي از روشهاي اندازه گيري, روش اسپكتروسكوپي است كه بدليل محدوديت اين روش (عدم اندازه گيري ذرات بزرگتر از7 ميكرون), روش هاي ديگري نظير NAS و اخيراً روش ISO 4406 بكار گرفته مي شوند.
در اين روشها, با توجه به لقي مجاز قطعات و توصيه سازنده اصلي تجهيزات (OEM) يك محدوده بعنوان كد تميزي سيستم در نظر گرفته مي شود, بدين ترتيب كه بوسيله شمارش الكترونيكي ذرات با توجه به سايز آنها (در محدوده بين5,2 تا15 ميكرون) كد تميزي سيستم مشخص مي شود. بعنوان مثال سازنده ويكرز براي يك سيستم هيدروليك
كد ISO 4406 18/16/13 معادل با NAS 1638 Level 7 را بعنوان كد تميزي سيستم در نظر گرفته است كه اگر ميزان آلاينده ها از اين حد تجاوز كند, با بهبود فيلتراسيون ( يا تعويض فيلتر) و در صورت لزوم جايگزيني روغن جديد مي توان آثار مخرب آلاينده ها را به حداقل رساند. 

آلايندگي آب (Water Contamination) :
ميزان ايده آل آب در يك سيال هيدروليك, كمتر از ميزان اشباع آن (در دماي عملياتي دستگاه) است. حدود (200-300)ppm آب مي تواند بصورت محلول در سيال پايه معدني وجود داشته باشد بدون اينكه رنگ روغن تغيير كند. 
اگر ميزان آب به 500 ppm افزايش يابد, روغن كمي كدر شده و به اصطلاح ظاهر آن ابري مي شود. بالاترين ميزان مجاز آب در يك سيال هيدروليك 100 ppm بوده و اگرميزان آب از 0.1 درصد وزني تجاوز كند, بصورت‌ آب آزاد ظاهر خواهد شد. آب بدليل كاهش مقاومت فيلم روانكار باعث افزايش شدت سايش شده و در حضور فلزاتي نظير مس, شدت سايش دو برابر خواهد شد. 
از طرفي بدليل كاهش ادتيوهاي R&O , ميزان خوردگي و زنگ زدگي سطوح فلزي افزايش يافته و در حضور كاتاليزورهاي فلزي, تخريب سطوح چند برابر مي شود. همچنين بدليل انجام سريع اكسيداسيون, لجن اسيدي در سيستم ايجاد شده و راندمان فيلتراسيون كاهش مي يابد. 
بهترين روش براي اندازه گيري ميزان آب, آزمايش كارل فيشر است. براي جلوگيري از ورود آب به سيستم مي توان به مواردي نظير دقت در انبارداري صحيح, برطرف كردن نشتي از مبدلهاي حرارتي يا ورودي هاي مخزن و تعويض آب بندهاي آسيب ديده, اشاره كرد.

آلايندگي هوا (Air Contamination) :
يكي ديگر از آلاينده هايي كه در ارتباط با سيال هيدروليك مي توان به آن پرداخت, حبابهاي هواست. خروج حبابهاي درون سيال در مواقعي كه فشار اعمال شده روي سيال از فشار اشباع حلاليت هوا در آن كمتر باشد, مي تواند با شكستن و از بين رفتن ناگهاني باعث بروز حوادثي نظير كاويتاسيون شود. يكي ديگر از صدماتي كه حضور حبابهاي هوا درون روغن هيدروليك ايجاد مي كند, توليد كف (تراكم پذير) و افزايش شديد درجه حرارت بدليل كاهش حجم درون سيلندر هيدروليك است كه اين افزايش دماي ناگهاني باعث تسريع روند اكسيداسيون خواهد شد. 
براي جلوگيري از ورود هوا به سيستم مي توان با تامين هد مورد نياز پمپ از بوجود آمدن افت فشار در اريفيس ها و همچنين مقاومت در مكش و هواگيري پمپ ها جلوگيري كرد. 
در برخي موارد باز و بسته شدن سريع شير كنترل ها (ايجاد توربولنسي), تنفس كلاهك مخزن و ورودي هاي سيستم مي تواند بعنوان منابع ورود هوا به سيستم باشند كه با رفع اين عيوب, تشكيل حبابهاي هوا در سيال هيدروليك به پايين ترين ميزان ممكن خواهد رسيد.

مشكل نشتي (Leakage) 
متاسفانه در جامعه صنعتي, نشتي بعنوان يك امر معمولي در نظر گرفته شده و براي رفع آن, تلاش جدي صورت نمي گيرد. بررسي آثار نامطلوب نشتي در يك سيستم مي تواند اهميت آنرا بيش از پيش مشخص ساخته و تاثير آن را در كيفيت محصول نهايي و افزايش هزينه هاي تمام شده, نشان دهد. 
در يك سيستم هيدروليك بدليل نشتي, همواره ميزان مصرف روغن از ظرفيت واقعي مخزن بيشتر بوده و هزينه هاي مربوط به خريد روانكار افزايش مي يابد. از طرفي بدليل كاهش جريان روغن و ايجاد افت فشار, دقت كنترلي سيستم كاهش يافته و بعلت كاركرد نامنظم سيستم, مشخصات محصول نهايي (مثلاً ابعاد) بر موارد از پيش تعيين شده منطبق نخواهدبود. در ارتباط با معضل نشتي در كنار آثار مخرب زيست محيطي (ورود روغن به منابع آب و خاك), احتمال قرار گرفتن روغن در معرض سطوح داغ (دستگاههاي دايكاست و تزريق پلاستيك) و اشتعال آن وجود داشته و بروز حوادثي نظير آتش سوزي محتمل خواهد بود. 
نكته بسيار مهم ديگر در ارتباط با نشتي اين است كه تمامي آلاينده هاي ياد شده مي توانند از محل نشت روغن وارد سيستم شده و استهلاك زودرس تجهيزات و ماشين آلات را باعث شوند. بنابراين بازرسي منظم اتصالات و آب بندها و تعويض آنها در صورت لزوم مي تواند در كاركرد مطمئن ماشين آلات, موثر باشد. 
يكي ديگر از روشهاي جلوگيري از نشتي, بحث سازگاري سيال هيدروليك با الاستومرها و انتخاب مناسب سيال هيدروليك از نظر نقطه آنيلين است. 
بدين معني كه نقطه آنيلين معرف ميزان تركيبات آروماتيك در روغن بوده و اگر از ميزان توصيه شده بيشتر باشد, باعث تورم آب بندها شده و اگر كمتر از حد مجاز باشد سبب سفت شدن اتصالات و كاهش حجم آنها مي شود. 
از روش هاي موثر ديگر جلوگيري از نشتي, انتخاب صحيح آب بندها (از نظر دما, فشار و شدت جريان), تنظيم دماي سيال هيدروليك (حداقل نگه داشتن دماي سيال) و بالانس مكانيكي سيستم (در يك راستا قرار گرفتن شفت پمپ و موتور) است كه با اجراي اين روشها مي توان ميزان نشتي را به حداقل رساند. 
منابع:
- National Tribology Service (NAS)
- Oil Analysis & Lubrication Learning Center
- Hydraulic Oil Filtration System-Filtroil
- Practical Ways To Control Hydraulic System Contamination
- Lube- Tech Magazine

نويسنده: مهندس مجيد همداني

منبع : مجله نفت پارس

با تشکر ویژه از کانون دانش

نظريه جنبشي گازها

قوانين مكانيك را مي‌توان بطور آماري در دو سطح مختلف به مجموعه‌اي از اتمها اعمال كرد در سطحي كه نظريه جنبشي گازها ناميده مي‌شود. به طريقي كم و بيش فيزيكي و با استفاده از روشهاي نسبتا ساده ميانگين گيري رياضي ، عمل مي‌كنيم. براي فهم نظريه جنبشي گاز را در فشار ، دما ، گرماي ويژه و انرژي داخلي اين روش را كه در سطح بكار برده مي‌شود. 


نگاه اجمالي 
در ترموديناميك فقط با متغيرهاي ماكروسكوپيك ، مانند فشار و دما و حجم سر و كار داريم. قوانين اصلي ترموديناميك‌ها بر حسب چنين كميتهايي بيان مي‌شوند. ابدا درباره اين امر كه ماده از اتمها ساخته شده است صحبتي نمي‌كنند. ليكن مكانيك آماري ، كه با همان حيطه‌اي از علم سر و كار دارد كه ترموديناميك از آن بحث مي‌كند و وجود اتمها را از پيش مفروض مي‌داند. قوانين اصلي مكانيك آماري حامي قوانين مكانيك‌اند كه در حدود اتمهاي تشكيل دهنده سيسنم بكار مي‌روند. 

تاريخچه 
نظريه جنبشي توسط رابرت بويل (Rabert Boyle) (1627 – 1691) ، دانيل بونولي (1700 – 1782) ، جيمز ژول (1818 – 1889) ، كرونيگ (1822 – 1874) ، رودولف كلاوسيوس (1822 – 1888) و كلرك ماكسول ( 1831 – 1879 ) و عده‌اي ديگر تكوين يافته است. در اينجا نظريه جنبشي را فقط در مورد گازها بكار مي‌بريم، زيرا برهم كنش‌هاي بين اتمها ، در گازها به مراتب متغيرترند تا در مايعات. و اين امر مشكلات رياضي را خيلي آسانتر مي‌كند.

در سطح ديگر مي‌توان قوانين مكانيك را بطور آماري و با استفاده از روشهايي كه صوري‌تر و انتزاعي‌تر از روشهاي نظريه جنبشي هستند بكار برد. اين رهيافت كه توسط جي ويلارد گيبس (J.willard Gibbs) و لودويگ بولتز ماني (Ludwig Boltz manni) (1844 – 1906) و ديگران تكامل يافته است، مكانيك آماري ناميده مي‌شود، كه نظريه جنبشي را به عنوان يكي از شاخه‌هاي فرعي در بر مي‌گيرد. با استفاده از اين روشها مي‌توان قوانين ترموديناميك را به دست آورد. بدين ترتيب معلوم مي‌شود كه ترموديناميك شاخه‌اي از علم مكانيك است. 

محاسبه فشار بر پايه نظريه جنبشي 
فشار يك گاز ايده‌آل را با استفاده از نظريه جنبشي محاسبه مي‌كنند. براي ساده كردن مطلب ، گازي را در يك ظرف مكعب شكل با ديواره‌هاي كاملا كشسان در نظر مي‌گيريم. فرض مي‌كنيم طول هر ضلع مكعب L باشد. سطحهاي عمود بر محور X را كه مساحت هر كدام e2 است. A1 و A2 مي‌ناميم. مولكولي را در نظر مي‌گيريم كه داراي سرعت V باشد. سرعت V را مي‌توان در راستاي يالهاي مولفه‌هاي Vx و Vy و Vz تجزيه كرد. اگر اين ذره با A1 برخورد كند در بازگشت مولفه X سرعت آن معكوس مي شود. اين برخورد اثري رو ي مولفه Vy و يا Vy ندارد در نتيجه متغير اندازه حركت عبارت خواهد بود : 

(m Vx - m Vx) = 2 m Vx - )= اندازه حركت اوليه – اندازه حركت نهايي 

كه بر A1 عمود است. بنابراين اندازه حركتي e به A1 داده مي‌شود برابر با m Vx2 خواهد بود زيرا اندازه حركت كل پايسته است.

زمان لازم براي طي كردن مكعب برابر خواهد بود با Vx/L. در A2 دوباره مولفه y سرعت معكوس مي‌شود و ذره به طرف A1 باز مي‌گردد. با اين فرض كه در اين ميان برخوردي صورت نمي‌گيرد مدت رفت و برگشت برابر با 2 e Vx خواهد بود. به طوري كه آهنگ انتقال اندازه حركت از ذره به A1 عبارت است: mVx2/e = Vx/2e . 2 mVx ، براي به دست آوردن نيروي كل وارد بر سطح A1 ، يعني آهنگ انتقال اندازه حركتي از طرف تمام مولكولهاي گاز به A1 داده مي‌شود. 

(P = M/e(Vx12 + Vx22 + Vx32 


P = 1/2eV2


تعبير دما از ديدگاه نظريه جنبشي 
با توجه به فرمول RT 2/3 = 1/2 MV2 يعني انرژي كل انتقال هر مول از مولكولهاي يك گاز ايده‌آل ، با دما متناسب است. مي‌توان گفت كه اين نتيجه با توجه به معادله بالا براي جور در آمدن نظريه جنبشي با معادله حالت يك گاز ايده‌آل لازم است. و يا اينكه مي‌توان معادله بالا را به عنوان تعريفي از دما بر پايه نظريه جنبشي يا بر مبناي ميكروسكوبيك در نظر گرفت. هر دو مورد بينشي از مفهوم دماي گاز به ما مي‌دهد. دماي يك گاز مربوط است به انرژي جنبشي انتقال كل نسبت به مركز جرم گاز اندازه گيري مي‌شود. انرژي جنبشي مربوط به حركت مركز جرم گاز ربطي به دماي گاز ندارد.

حركت كاتوره‌اي را به عنوان بخشي از تعريف آماري يك گاز ايده‌آل در نظر گرفت. V2 را بر اين اساس مي‌توان محاسبه كرد. در يك توزيع كاتوره‌اي سرعتهاي مولكولي ، مركز جرم در حال سكون خواهد بود. بنابراين ما بايد چارچوب مرجعي را بكار ببريم كه در آن مركز جرم گاز در حال سكون باشد. در چارچوبهاي ديگر ، سرعت هر يك از مولكولها به اندازه U (سرعت مركز جرم در آن چارچوب) از سرعت آنها در چارچوب مركز جرم بيشتر است. در اينصورت حركتها ديگر كتره‌اي نخواهد بود و براي V2 مقادير متفاوتي بدست مي‌آيد. پس دماي گاز داخل يك ظرف در يك قطار متحرك افزايش مي‌يابد. مي‌دانيم كه M V2 1/2 ميانگين انرژي جنبشي انتقالي هر مولكول است. اين كميت در يك دماي معين كه در اين مورد صفر درجه سلسيوس است، براي همه گازها مقدار تقريبا يكساني دارد. پس نتيجه مي‌گيريم كه در دماي T ، نسبت جذر ميانگين مربعي سرعتهاي مولكولهاي دو گاز مختلف مساوي است با ريشه دماي عكس نسبت به مربعهاي آنها.



T=2/3k m1 V12/2= 2/3k m2 V22/2


مسافت آزاد ميانگين 
در فاصله برخوردهاي پي‌درپي ، هر مولكول از گاز با سرعت ثابتي در طول يك خط راست حركت مي‌كند. فاصله متوسط بين اين برخوردهاي پي‌درپي را مسافت آزاد ميانگين مي‌نامند. اگر مولكولها به شكل نقطه بودند، اصلا با هم برخورد نمي‌كردند. و مسافت آزاد ميانگين بينهايت مي‌شد. اما مولكولها نقطه‌اي نيستند و بدين جهت برخوردهايي روي مي‌دهد. اگر تعداد مولكولها آنقدر زياد بود كه مي‌توانستند فضايي را كه در اختيار دارند كاملا پر كنند و ديگر جايي براي حركت انتقالي آنها باقي نمي‌ماند. آن وقت مسافت آزاد ميانگين صفر مي‌شد. بنابراين مسافت آزاد ميانگين بستگي دارد به اندازه مولكولها و تعداد واحد آنها در واحد حجم. و به قطر d و مولكولهاي گاز به صورت كروي هستند در اين صورت مقطع براي برخورد برابر با лd2 خواهد بود.

مولكولي با قطر 2d را در نظر مي‌گيريم كه با سرعت V در داخل گازي از ذرات نقطه‌اي هم ارز حركت مي‌كند. اين مولكول در مدت t استوانه‌اي با سطح مقطع лd2 و طول Vt را مي‌روبد. اگر nv تعداد مولكولها در واحد حجم باشد استوانه شامل (лd2 Vt ) nv ذره خواهد بود. مسافت آزاد ميانگين ، L ، فاصله متوسط بين دو برخورد پي‌درپي است بنابراين ، L ، عبارت است از كل مسافتي كه مولكول در مدت t مي‌پيمايد. (Vt) تقسيم بر تعداد برخوردهايي كه در اين مدت انجام مي‌دهد. يعني 

I = Vt/πd2nv =1/√2πnd2


I=1/√2πnd2

اين ميانگين بر مبناي تصويري است كه در آن يك مولكول با هدفهاي ساكن برخورد مي‌كند. در واقع ، برخوردهاي مولكول با هدف دماي متحرك انجام مي‌گيرد در نتيجه تعداد برخورد دما از اين مقدار بيشتر است. 

توزيع سرعتهاي مولكولي 
با توجه به سرعت جذر ميانگين مربعي مولكولهاي گاز ، اما گستره سرعتهاي تك‌تك مولكولها بسيار وسيع است. بطوري كه براي هر گازي منحني‌‌اي از سرعتها مولكولي وجود دارد كه به دما وابسته است. اگر سرعتهاي تمام مولكولهاي يك گاز يكسان باشند اين وضعيت نمي‌تواند مدت زياد دوام بياورد. زيرا سرعتهاي مولكولي به علت برخوردها تغيير خواهند كرد. با وجود اين انتظار نداريم كه سرعت تعداد زيادي از مولكولها بسيار كمتر از V‌rms (يعني نزديك صفر) يا بسيار بيشتر از Vrms ، زيرا وجود چنين سرعتهايي مستلزم آن است كه يك رشته برخوردهايي نامحتمل و موجي صورت بگيرد. مسئله محتملترين توزيع سرعتها در مورد تعداد زيادي از مولكولهاي يك گاز را ابتدا كلوك ماكسول حل كرد. قانوني كه او ارائه كرد در مورد نمونه‌اي از گاز كه N مولكول را شامل مي‌شد چنين است : 

N(V)=4πN(m/2πKt)3/2V2e-mv2/2kt

در اين معادله N(V)dV تعداد مولكولهايي است كه سرعت بين V و V+3v است، T دماي مطلق ، K ثابت بولتزمن ، m جرم هر مولكول است. تعداد كل مولكولهاي گاز (N) را ، با جمع كردن (يعني انتگرال‌گيري) تعداد موجود در هر بازه ديفرانسيلي سرعت از صفر تا بينهايت به دست مي‌آيد. واحد (N(V مي‌تواند مثلا مولكول برا سانتيمتر بر ثانيه باشد. 

N =∫∞0N(V)dv


توزيع سرعتهاي مولكولي در مايعات 
توزيع سرعتهاي مولكولي در مايعات شبيه گاز است. اما بعضي از مولكولهاي مايع (آنهايي كه سريعترند) مي‌توانند در دماهايي كاملا پايينتر از نقطه جوش عادي از سطح مايع بگريزند. (يعني تبخير شوند). فقط اين مولكولها هستند كه مي‌توانند بر جاذبه مولكولهاي سطح فائق آيند. و در اثر تبخير فرار كنند. بنابراين انرژي جنبشي ميانگين مولكولهاي باقيمانده نيز كاهش مي‌يابد در نتيجه دماي مايع پايين مي‌آيد. اين امر روشن مي‌كند كه چرا تبخير فرايند سرمايشي است. 

مثال واقعي در مورد توزيع سرعتهاي مولكولي 
با توجه به فرمول N(V)= Σ410N(M/2πkT)3/2 توزيع سرعتهاي مولكولي هم به جرم مولكول و هم به دما بستگي دارد هرچه جرم كمتر باشد نسبت مولكولهاي سريع در يك دماي معين بيشتر است. بنابراين احتمال اينكه هيدروژن در ارتفاعات زياد از جو فرار كند بيشتر است، تا اكسيژن و ازت. كره ماه داراي جو رقيقي است. براي آنكه مولكولهاي اين جو احتمال زيادي براي فرار از كشش گرانشي ضعيف ماه ، حتي در دماهاي پايين آنجا نداشته باشند، انتظار مي‌رود كه اين مولكولها يا اتمها متعلق به عناصر سنگينتر باشند. طبق شواهدي ، در اين جو گازهاي بي اثر سنگين مانند كريپتون و گزنون وجود دارند كه براثر واپاشي پرتوزا در تاريخ گذشته ماه توليد شده‌اند. فشار جو ماه در حدود 10 برابر فشار جو زمين است. 

توزيع ماكسولي 
ماكسول قانون توزيع سرعتهاي مولكولي را در سال 1859 ميلادي به دست آورد. در آن زمان بررسي اين قانون به كمك اندازه گيري مستقيم ممكن نبود و در حقيقت تا سال 1920 كه اولين كوشش جدي در اين راه توسط اشترن (Stern) به عمل آمد، هيچ اقدامي صورت نگرفته بود. افراد مختلفي تكنيكهاي اين كار را به سرعت بهبود بخشيدند. تا اينكه در سال 1955 يك بررسي تجربي بسيار دقيق در تائيد اين قانون (در مورد مولكولهاي گاز توسط ميلر (Miller) و كاش (Kusch) از دانشگاه كلمبيا صورت گرفت.

اسبابي كه اين دو نفر بكار بردند در مجموعه‌‌اي از آزمايشها مقداري تاليوم در كوره قرار مي‌دادند و ديواره‌هاي كوره O را تا دماي يكنواخت 80±4K گرم كردند. در اين دما تاليوم بخار مي‌شود و با فشار 3.2x10-3 ميليمتر جيوه ، كوره را پر مي‌كند. بعضي از مولكولهاي بخار تاليوم از شكاف s به فضاي كاملا تخليه شده خارج كوره فرار مي‌كند و روي استوانه چرخان R مي‌افتند در اين صورت استوانه كه طولش L است تعدادي شيار به صورت مورب تعبيه شده كه فقط يكي از آنها را مي‌توان ديد. به ازاي يك سرعت زاويه‌اي معين استوانه (W) فقط مولكولهايي كه داراي سرعت كاملا مشخص V هستند مي‌توانند بدون برخورد با ديواره‌ها از شيارها عبور كنند. سرعت V را مي‌توان از رابطه زير بدست آورد: 

V=LW/q و L/V= φ/W = زمان عبور مولكول از شيار 

 φ : تغيير مكان زاويه‌اي بين ورودي و خروجي يك شيار مورب است. استوانه چرخان يك سرعت گزين است، سرعت انتخاب شده با سرعت زاويه‌اي (قابل كنترل) W متناسب است. 

نقص توزيع سرعت ماكسولي با نظريه جنبشي 
اگرچه توزيع ماكسولي سرعت براي گازها در شرايط عادي سازگاري بسيار خوبي با مشاهدات دارد. ولي در چگاليهاي بالا ، كه فرضهاي اساسي نظريه جنبشي كلاسيك صادق نيستند. اين سازگاري نيز به هم مي‌خورد. در اين شرايط بايد از توزيعهاي سرعت مبتني بر اصول مكانيك كوانتومي ، يعني توزيع فرمي - ديراك (Fermi Dirac) بوز – انيشتين (Bose Einstein) استفاده كرد. اين توزيعهاي كوانتمي در ناحيه كلاسيك ( چگالي كم ) با توزيع ماكسولي توافق نزديك دارند و در جايي كه توزيع كلاسيك با شكست مواجه مي‌شود با نتايج تجربي سازگارند. بنابراين در كاربرد توزيع ماكسولي محدوديتهايي وجود دارد. همانگونه كه در واقع براي هر نظريه‌اي چنين است. 
.

منبع: http://www.cloudysky.ir/data/data0121.php

هوپا

طرز كار راكت هاي فضايي

ترجمه: محمد ش. محمدي

مقدمه:
يكي  از عجيب ترين كشفيات انسان دسترسي به فضا است كه پيچيدگي و مشكلات خاص خود را دارد. راه يابي به فضا پيچيده است، چرا كه بايد با بسياري از مشكلات روبرو شد. مثلا:

- وجود خلا در فضا

- مشكلات گرما و حرارت

- مشكل ورود مجدد به زمين

- مكانيك مدارها

- ذرات و باقي مانده هاي فضا

- تابش هاي كيهاني و خورشيدي

- طراحي امكانات براي ثابت نگه داشتن اشيا در بي وزني

ولي بزرگترين مشكل ايجاد انرژي لازم براي بالا بردن فضاپيما از زمين است كه براي درك اين موضوع بايد به بررسي طرز كار موتورهاي موشك پرداخت.

در يك ديدگاه ساده، مي توان موتورهاي موشك را به آساني و با هزينه اي نسبتا كم طراحي كرد و حتي آن را به پرواز درآورد اما اگر بخواهيم مسئله را در سطح كلان بررسي كنيم با مشكلات و پيچيدگي هاي بسياري مواجه هستيم و اين موتورهاي موشك (و به خصوص سيستم سوخت آن ها) آنقدر پيچيده است كه تا به حال تنها سه كشور توانسته اند با استفاده از اين فناوري انسان را در مدار زمين قرار دهند.

در اين مقاله ما موتورهاي موشك هاي فضايي را مورد بررسي قرار مي دهيم تا با طرز كار و پيچيدگي هاي آن ها آشنا شويم.

نكات پايه اي:

عموما وقتي كسي درباره موتورها فكر مي كند، خود به خود مطالبي درباره چرخش برايش تداعي مي شود.براي مثال حركت متناوب پيستون در موتور بنزيني كه انرژي چرخشي براي به حركت در آوردن چرخ ها را توليد مي كند. و يا موتور الكتريكي كه با توليد ميدان الكتريكي كه با توليد ميدان مغناطيسي نيروي چرخشي براي پنكه يا سي دي رام توليد مي كنند. موتور بخار هم به طور مشابه كار مي كنند.

ولي موتور موشك از لحاظ ساختار متفاوت است. موتور موشك ها موتورهاي واكنشي هستند.اساس كار موتور موشك برپايه ي قانون معروف نيوتون است كه مي گويد: "براي هر كنش واكنشي وجود دارد به مقدار مساوي ولي درجهت مخالف آن". موتور موشك نيز جرم را در يك جهت پرتاب مي كند و از واكنش آن در جهت مخالف سود مي برد.

البته تصور اين اصل (پرتاب جرم و سود بردن از واكنش) ممكن است در ابتدا كمي عجيب به نظر بيايد، چرا كه در عمل بسيار متفاوت مي نماياند. انفجار، صدا و فشار چيزهايي است كه در ظاهر باعث حركت موشك مي شود و نه "پرتاب جرم".

بگذاريد تا با بيان چند مثال تصويري بهتر از واقعيت را روشن كنم:

● اگر تا به حال با اسلحه ي(به خصوص سايز بزرگ آن) shotgun شليك كرده باشيد،  متوجه مي شويد كه ضربه ي بسيار قوي اي، با نيروي بسيار زياد به شانه شما وارد مي كند.

يك اسلحه مقدار 1 انس فلز را به يك جهت و با سرعت 700 مايل در ساعت شليك مي كند و در واكنش شما را به عقب حركت مي دهد.

● اگر تا به حال شير آتش نشاني را ديده باشيد، متوجه مي شويد كه براي نگه داشتن آن بايد نيروي بسيار زيادي را صرف كنيد (اگر دقت كرده باشيد گاهي 2 يا 3 آتش نشان يك شير را نگه مي دارند) كه در اين جا شير آتش نشاني مثل موتور موشك عمل مي كند.

شير آتش نشاني، آب را در يك جهت پرتاب ميكند و آتش نشان ها از نيرو و وزن خود استفاده مي كنند تا در برابر واكنش  آن مقاومت كنند. اگر آن ها اجازه بدهند تا شير رها شود، شير به اين طرف و آن طرف پرتاب مي شود.

حال اگر آتش نشان ها روي يك اسكيت برد ايستاده باشند شير آتش فشاني آن ها را با سرعت زيادي به عقب مي راند.

● اگر يك بادكنك را باد كنيد و آن را رها كنيد، بادكنك  به پرواز در مي آيد، تا وقتي كه هواي داخل آن به طور كامل خالي شود. پس مي توان گفت كه شما يكم موتور موشك ساخته ايد. در اين جا چيزي كه به بيرون پرتاب مي شود مولكول هاي هواي درون بادكنك هستند.

بسياري از مردم فكر مي كنند كه مولكول هاي هوا اهميتي ندارند، در حالي كه اينطور نيست. هنگامي كه شما به آن ها اجازه مي دهيد تا از دريچه بادكنك به بيرون پرتاب شوند، بر اثر واكنش به وجود آمده بادكنك به جهت مخالف پرتاب مي شود.

در ادامه براي درك بهتر موضوع، به مثالي دقيق تر اشاره مي كنم:

● سناريوي توپ بيسبال در فضا:

شرايط زير را تصور كنيد،

مثلا شما لباس فضانوردان را پوشيده ايد و در فضا در كنار فضاپيما معلق مانده ايد و  چندين توپ بيسبال در دست داريد. حال اگر شما توپ بيسبال را پرتاب كنيد، واكنش آن بدن شما را به جهت مخالف توپ حركت مي دهد.

سرعت شما پس از پرتاب توپ به وزن توپ و شتاب وارده بستگي دارد. همانطور كه مي دانيم حاصلضرب جرم در شتاب برابر نيرو است، يعني:

F=m.a

همچنين ميدانيم كه هر نيرويي كه شما به توپ وارد كنيد، توپ نيز نيرويي مساوي ولي در جهت مخالف به بدن شما وارد ميكند كه همان واكنش است. پس مي توان گفت:

m.a=m.a

حال فرض مي كنيم كه توپ بيسبال 1 كيلو گرم وزن داشته باشد و وزن شما و لباس فضايي هم 100 كيلوگرم باشد. پس با اين حساب اگر شما توپ بيسبال را با سرعت 21 متر در ساعت پرتاب كنيد. يعني شما با دست خود به يك توپ بيسبال 1 كيلو گرمي، شتابي وارد كرده ايد كه سرعت 21 متر در ساعت گرفته است. واكنش آن روي بدن شما تاثير مي گذارد، ولي وزن بدن شما 100 برابر توپ بيسبال است. پس بدن شما با 100/1 سرعت توپ بيسبال (يا 0.21 متر بر ساعت) به عقب حركت مي كند.

حال اگر شما مي خواهيد از توپ بيسبال خود قدرت بيش تري بگيريد، شما دو انتخاب داريد: افزايش جرم يا افزايش شتاب وارده

شما مي توانيد يا يك توپ سنگين تر پرتاب كنيد و يا اينكه شما مي توانيد توپ بيسبال را سريع تر پرتاب كنيد (شتاب آن را افزايش دهيد)، و اين دو تنها كارهايي است كه مي توانيد انجام دهيد.

يك موتور موشك نيز به طور كلي جرم را در قالب گازهاي پرفشار پرتاب مي كند؛ موتور گاز را در يك جهت به بيرون پرتاب مي كند تا از واكنش آن در جهت مخالف سود ببرد. اين جرم از مقدار سوختي كه در موتور موشك مي سوزد بدست مي آيد.

عمليات سوختن به سوخت شتاب مي دهد تا از دهانه خروجي موشك با سرعت زياد بيرون بيايد.

وقتي سوخت جامد يا مايع مي سوزد و به گاز تبديل مي شود، جرم آن تغيير نمي كند بلكه تغيير در حجم آن است. يعني اگر شما مقدار يك كيلو سوخت مايع موشك را بسوزانيد مقدار يك كيلو جرم با حجمي بيشتر، از دهانه خروجي موشك با دماي بالا و سرعت زياد خارج مي شود. عمليات سوختن، جرم را شتاب مي دهد. 
بياييد تا بيش تر درباره ي نيروي پرتاب بدانيم:

نيروي پرتاب:

قدرت موتور يك موشك را نيروي پرتاب آن مي گويند. نيروي پرتاب در آمريكا به صورت 
(پوند) ponds of thrust
و در سيستم متريك با واحد نيوتون شناخته شده است (هر 4.45 نيوتون نيروي پرتاب برابر است با 1 پوند نيروي پرتاب).

هر يك پوند نيروي پرتاب (4.45 نيوتون) مقدار نيروي است كه مي تواند يك شي 1 پوندي (453.59 گرم) را در حالت ساكن مخالف نيروي جاذبه زمين نگه دارد.

بنابر اين در روي زمين شتاب جاذبه 21 متر در ساعت در ثانيه (32 فوت در ثانيه در ثانيه) است.

منبع: http://www.howstuffworks.com

هوپا

آكوستيك (Acoustic) چيست؟

منبع : دانشنامه رشد

ترمودینامیک و پراگماتیسم(THERMODYNAMICS & PRAGMATISM)

چکیده: در این مقاله نشان داده می شود که مباحث مرتبط با ترمودینامیک مهندسی, اساساً بر بر پایهء دیدگاههای مسلک اصا لت عمل (پراگماتیسم) بنا شده اند.

آیا سیکل کارنو صرفاً مدلی ذهنی است و الی الابد هیچ نتیجهء عرضی دربر نخواهد داشت؟ آیا دستیابی به کارایی صد درصد, مستلزم نقض قانون دوم ترمودینامیک است؟ در این نوشتار, پرسشهایی از این دست, تحلیل و بررسی می گردد.

مقدمه

پرسشهای فلسفی گسترده ای پیرامون ترمودینامیک وجود دارد که تحلیل آنها غالباً در حوزه مباحث فلسفهء علم جای می گیرد. ترمودینامیک ,آنجا که در قالب مسائل مطروحه مهندسی ارائه می گردد بیشتربه جنبه های عملگرایانه ودیدگاههای مبتنی برپراگماتیسم pragmatism)) می پردازد . بدین معنا که فلسفه های "کنه گرا" و اسکولاستیک (scholastic) که به ماهیات و هلیات می پردازند در ترمودینامیک مهندسی دیده نمیشوند. " فلسفهء پراگماتیسم, به جای آنکه مبدﺃ اصل فکر و عقیده ای را بپرسد از نتایج و ثمرات آن جویا می شود, لحن کلام را از مقولات و مبادی برمیگرداند و از عواقب و نتایج سوا ل می کند."[1]. در واقع پراگماتیسم,عطف نظر به عواقب و ثمرات و فوائد یک مبحث است.

 کلمه‌ پراگماتیسم (از کلمه یونانی پراگما به معنای عمل) را نخستین بار چارلز پیرس(1914- 1839(Charles Pierce در مقاله معروفش با عنوان "چگونه می‌توان افکار خود را روشن ساخت"، به کار برده است. پیرس دراین مقاله ثابت می‌کند که برای بررسی یک فکر, کافی است به تعیین رفتاری که این فکر برمی‌انگیزاند، بپردازیم. در حقیقت پراگماتیسم, فلسفه ای است تمام عیارعلیه ایده آلیسم و کاوشهای عقلانی محض که هیچ فایده ای برای انسان ندارد. پراگماتیسم قائل به این است که حقیقت, امر جدایی از انسان نیست؛ بلکه تنها دلیل برای اینکه یک نظر درست یا حقیقی باشد و نظر دیگری باطل و خطا، این است که اولی در عمل به درد انسان بخورد و برای او کارآمد و موثر باشد و دیگری چنین نباشد. به این ترتیب، معنای صدق قضیه در پراگماتیسم تغییر می یابد . صدق هر گزاره، فقط توسط نتایج عملی آن سنجیده می شود نه در مقایسه با واقعیت خارجی .از این منظر, یک فکر یا عقیده تا وقتی که فقط عقیده است، بخودی خود نه صحیح است و نه غلط؛ بلکه فقط در جریان آزمایش و کار برد عملی آن , و فقط برحسب نتایجی که از آن استحصال میشود، ارزش صدق و کذب پیدا می کند. بنابر این امکان رسیدن به حقیقت مطلق منتفی است. زیرا هم علم ، و هم مسائل و مشکلات ما همواره در حال تغییر است, پس در هر مرحله، حقیقت، آن چیزی خواهد بود که ما را قادر سازد تا به نحو رضایت بخش، مسائل و مشکلات جاری آن زمان را بررسی و حل کنیم .در مکتب پراگماتیسم، افکار و عقاید همچون ابزارهایی هستند برای حل مسائل و مشکلات بشر؛ تا زمانی که اثر مفیدی دارند، صحیح و حقیقی اند و پس از آن خطا و نادرست می شوند. بدین ترتیب , ممکن است عقیده ای طی مدتی موثرواقع شود و از این رو حقیقی باشد؛ لیکن ممکن است بعدها نتایج رضایت بخشی نداشته باشد و به نظریه ای باطل و خطا تبدیل گردد. پراگماتیسم ,وجود را منوط به نتیجه می داند و هر اصالتی را بر حسب نتیجه ای که می دهد ارزش گذاری می کند . در حقیقت, پراگماتیسم وجود را بدون نتیجه ، عدم میداند و حتی لزوم بررسی هم برای آن قائل نمی شود. ایده آ ل سازی در محاسبات ترمودینامیکی , گواهی بر این مساله است که ترمودینامیک مهندسی برپایه دیدگاههای پراگماتیستی قرار دارد. چرا که اغلب, جنبه های عملی موضوعات را در نظر می گیرد و دیدگاههای اسکولاستیک به معنای جستجوی علت العلل درآن راهی ندارند. زمانیکه مدلهای ذهنی اصطلاحاً غیرممکن در ترمودینامیک مهندسی طرح می گردد بیشتر عطف به موضوع صرفه اقتصادی یا محدودیت ابزار می شود و سخنی از عدم امکان مطلق آنها به میان نمی آید. بعبارت دیگر تعبیری که از اصطلاح "غیر ممکن" مد نظر است نوعاً متفاوت با مساله محالات ذاتی یا وقوعی assertoric است.

آیا مجادله فلسفی پیرامون ترمودینامیک, بیهوده است؟

آیا ممکن است بحثها و مجادلات فلسفی پیرامون چنین مباحثی که در حیطه و قلمرو فلسفهء علم جای می گیرند اساساً پوچ و بیهوده باشند؟ صاحبنظران زبان شناسی علم تفسیر(Hermeneutics) نظیر پل ریکور و دوره اول ویتگنشتاین اعتقاد داشتند که مشاجرات فلسفی اصلاً درباره جهان نیستند وفقط نوعی بحث زبان شناسی هستند. در نتیجه برای آنها هرگونه فلسفه, بیشتر برای به دورافکندن فلسفه بود تا اینکه مثلاً در جهت تدوین مسائل فلسفه علم باشد. " اگر جبر منطقی یعنی جبر حاکم بر عالم گفتار مباحث و الفاظ, جای خود را به به امر دیگری واگذارد که نه فقط بر گفتار و لفظ بلکه بر واقعیت هم حاکم باشد این امر چه خواهد بود؟ "[2] ویا طرفداران مکتب فرا استراکتورالیسم(post structuralism) و شخص میشل فوکو امکان مباحثی تحت عنوان فلسفه علم را باطل می دانند. پوزیتیویستها (positivists) نیز قدرت علم را تا حدی زیاد می دانند که نیاز به هرگونه فلسفه ای را باطل تلقی می کنند . از دیدگاه آنان این بحثها بیشتر, نوعی "خیالبافی فیزیکی" است. از این رو _ رودلف کارناپ_ که در تاریخ فلسفه علم معاصر به عنوان یک پوزیتیویست شناخته می شود پایان عمر متافیزیک را در 1930 نشان داد و هرگونه مجادله فلسفی در این زمینه را پوچ و بیهوده اعلام کرد. در اگزیستانسیالیسم دو دیدگاه رایج در این باب وجود دارد. اگزیستانسیالیست هایی نظیر هایدگر, طبیعت را موضوع تعمق فلسفی می دانند و در نتیجه به نوعی پرداختن به فلسفه علم را می پذیرند. در حالیکه مکتب اگزیستانسیالیسم ژان پل سارتر موضوع چنین بحث های فلسفی را خود آگاهی انسان می داند. در هر حال دیدگاههای متفاوتی نسبت به حقانیت مباحث (Discourse) فلسفه علم وجود دارد. برخی این مجادلات را بیهوده و یا یک جدل بی حاصل صرفاً زبانی ارزیابی کرده اند و برخی دیگر پرداختن به این مسائل را جستجوی اساسی ترین پرسشهای فلسفی دانسته اند. موضوع این نوشتار تحلیل دیدگاههایی است که حقانیت مبحث فلسفه علم را پذیرفته اند. فلسفه علم از نظر آنچه نتایج فلسفی علوم است به بخشهای مختلفی تقسیم می شود. مسائل مرتبط با متافیزیک, مسائل معرفت شناختی(Epistemology) نظیر تئوری های شناخت و مبانی و پیش فرضهای فلسفی و دسته بندی موضوع شناخت بین عینیت و ذهنیت, یا مسائل ارزش شناختی(Axiology) و الی آخر. اما چگونگی شکل گیری تئوریهای علمی یکی از مهمترین موضوعات مورد توجه در فلسفه علم می باشد . مساله چگونگی شکل گیری تئوریهای علمی , مشتمل بر دونظریه اصلی میباشد _ یکی نظریه توماس کوهن(T.Kuhn) ودیگری نظریه کارل پوپرK.popper)) _ نظریه توماس کوهن تحت عنوان نظریه سوبژکتیویستی یا ذهنیت گرایانه((subjectivity و همچنین نظریه کارل پوپرکه در کتاب دانش عینی _objective knowledge_ بیان شده است بیشتر به نام نظریه ابژکتیویستی یا عینیت گرایانه(objectivity) شهرت دارد. کوهن اعتقاد داشت که "علوم بر مبنای پارادایم (paradigm) با سرمشق های معین جلو می روند. این سرمشق ها پیش فرض های قبول شده ای هستند که در حل مسائل مورد تحقیق , هیچگاه مورد تردید واقع نمیشوند"[3]. مثلاً در پارادایم نیوتنی , زمان و مکان مستقل از یکدیگر وجود خارجی داشته و نیرو در این سیستم برابر است با حاصلضرب جرم در شتاب. اما این پیش فرض های از پیش قبول شده بر دانش حضوری یا همان ادراک شهودی (Intuitive reasoning) تکیه دارند که چندان محل اطمینان و یقین نیست. از همین روست که امکان دارد سرمشقهای شهودی در پارادایم ها که در یک زمان کاملاً بدیهی بوده در زمان دیگر اعتباری نداشته باشند. بعنوان مثال پس از ارائه نظریه نسبیت, " فرض فیزیک کلاسیک در مورد مطلق بودن همزمانی ,که بر مبنای بدیهیات اولیه و فرضهای پیش آزمونی قرار داشت"[4] دیگر یک بدیهی بی نیاز از تحلیل محسوب نمی شود. توماس کوهن می گوید هرگاه تعداد زیادی از مسائل تحقیق, خود پارادایم را زیر سوال ببرند شرایط بحرانی پیش آمده و در این حالت به تدریج پارادایم جدیدی شکل می گیرد که جایگزین پارادایم قدیمی میگردد. (مثل جایگزینی تئوری نسبیت اینشتین به جای تئوری های مکانیک نیوتنی) . از این رو مطابق با نظریه ذهنیت گرایانه کوهن, واقعیت های عینی, هرگز نتایج تئوریک فلسفی به بار نمی آورند وبه بیان دیگر این ذهنیت است که برعینیت تقدم دارد. در ترمودینامیک با مفاهیمی نظیر مدل ایده آل سیکل کارنو یا سیکلهای معادل آن روبرو هستیم که گفته می شود هیچ نتیجه عینی در بر ندارند. و این درحالیست که عملی نبودن سیکلهای معادل سیکل کارنو , بیشتر از جنبه مواجهه با محدودیت عمل ابزارهای مورد استفاده می باشد نه ازاین بابت که مدلهای ذهنی مذکور, اساساً امکان عملی شدن نداشته باشند. بنابراین می توان تصور کرد که روزی انسان بتواند بر محدودیتهای سد راه عملی شدن برخی از مدلهای ترمودینامیکی, غلبه کند وتجارب بعدی تدریجاً به شکل گیری پارادایم جدیدی منجر شود و حتی اصول مسلمه ترمودینامیک کلاسیک نیز مورد تردید قرار گیرند. هیچ استبعادی ندارد روزی ابزارها و سیستمهایی طراحی شوند که محدودیتهای کنونی را نداشته باشد یا شیوه هایی ابداع شود که به کمک آنها عبور ازمحدودیت و الزام قانون دوم ترمودینامیک به نوعی ممکن شود. وشاید در آنصورت تحولات شگرفی در زندگی انسان بوجود بیاید . از این رو این امکان وجود دارد که مجادله کنونی پیرامون تعابیر فلسفی ترمودینامیک , در آینده به شکل گیری پارادایم جدیدی منجر شود و از دیدگاه پراگماتیسم, دستاوردهای عملی نیز داشته باشد.

امکان و تحقق سیکل کارنو

در این بخش به بررسی مساله امکان (possibility) و یا تحقق سیکل کارنو و بعبارتی به تحلیل برهان وجودی( (ontological proof سیکل کارنو می پردازیم . آیا مفهومی به نام سیکل کارنو وجود (existence) دارد یا اینکه این مدل , صرفاً یک تصوریا تخیل (imagination) در ذهن انسان است؟ اصطلاح وجود داشتن در اینجا قدری محل مناقشه است. چرا که تصور چیزی( یا امری) یا حتی تصور خصوصیاتی برای چیزی، منجر به ضرورت (necessity) وجود آن نمیشود. آنچه که بر وجود دلالت می کند تجربهء خصوصیات معینی از آن چیز است که منجر به ضرورت و ایجاب (affirmative) وجود میشود. وجود درخود، دارای نوعی تمامیت ( (totalityاست , اما تمامیت آن نزد ما آشکار نیست و البته همین دال بر وجود آن است. استقلال و خودایستایی وجود، امری اساسی است. اگرچنین نباشد، امرموجود، ثانوی وعَرَضی ((accidental است. برای تحلیل این پرسش که آیا سیکل کارنو یک چیز موجود است یا خیر باید به تبیین مساله وجود بپردازیم. برای وجود سه خاصه مطرح می گردد که عبارت اند از:

الف) دگرگونی و تغییر(becoming)

ب) اثرگذاری و اثرپذیری (interaction)

ج) خودایستایی و خوداتکایی

هرقدر برتری امری از نظر ماهیت، بیشتر باشد، آنگاه احتمال و امکان وقوع یا بالفعل (actual) بودن و واقعیت داشتن آنreality)) به همان میزان کمتر است. باید دقت کرد که وجود، یک صفت و یا به بیان دیگر, یک محمول (predicate) حقیقی نیست. آیا مدل ایده آل سیکل کارنو موجودی است واجد همه صفات ایجابی واساساً هیچ ما به ازاء واقعی می تواند داشته باشد؟ باید گفت فقط وجود عینی و حاضر در جهان، بالضروره هست و انکار وجود آن نیز مستلزم تناقض ؛ اگر موجودی عینیت داشته باشد، وجود برای آن ضرورت است.البته امانوئل کانت, ثابت می کند که مفهوم "موجودی که بالضروره وجود دارد" وجود ندارد و بیان می دارد موجودی که انکار وجود آن مستلزم تناقض باشد، فاقد مفهوم است. مثلاً یکی از براهین کانت در این باب این است که گزاره ها propositions)) و قضایای theorems)) وجودی، ترکیبی (synthetic) هستند، نه تحلیلی ((analytic. بنابراین، انکارآنها منجر به تناقض نمی شود. اما درقضایای تحلیلی، محمول ازقبل در مفهوم ِ موضوع (subject) مندرج است، ازاینرو انکارآنها مستلزم تناقض است. در برهان آنسلم (Anselmus) که به برهان وجودی (ontological argument) معروف است میخوانیم " وجود عینی عالی تراز وجود ذهنی است، اما وجود ذهنی می تواند واجد خاصه های خیالی برتری باشد که وجود عینی فاقد آنهاست." به هر ترتیب , وجود ذهنی در مخیله می گنجد و می توان آن را تصور کرد. فی المثل کارایی صددرصد برای ما قابل تصور است و دست کم می توانیم بگوییم که در ذهن موجود است. اما کارایی بیش از صد در صد را حتی تصور هم نمی توان کرد. تصور صورت اعلای کارایی یک سیکل ترمودینامیکی در ذهن ما کارایی صددرصد است و بیش از آن, چه درذهن و چه خارج ازذهن، قابل تصورنیست. کارایی صد درصد هرچند ازنظرعینی, هیچ و عدم باشد ، لااقل قابل تصوراست. (اگرچه که ازوجود ذهنی چیزی یا امری, نمی توان وجود عینی آن را نتیجه گرفت). مفاهیمی هستند که حتی تصور هم نمی شوند. مثل کارایی بیشتر از صددرصد یا وجود عالی ترین موجود, مفهوم عالی ترین موجود حتی درذهن هم قابل تصورنیست، زیرا هرچه را درذهن تصورکنیم، بازهم عالی ترازآن را می توان تصور کرد. یا مثال دیگر اینکه هرقدرعدد بزرگی را تصورکنیم، بازهم عدد بزرگترازآن را می توان درنظر گرفت، اما عدد بی نهایت بزرگ یا بزرگترین عدد, وجود ندارد. این مفاهیم فاقد حد هستند و بنابراین, هم غیرقابل تصور و هم ازنظرعینی هیچ و عدم اند . مفاهیم این چنینی , از دسته موهومات و سفسطه ها ( (fallacyهستند. وقتی امری قابل درک یا تصور نباشد، قابل بیان هم نیست. شاید پرسیده شود پس جنبه های نامتناهی برخی از مفاهیم عینی، چگونه شکل می گیرند؟ در پاسخ باید گفت برداشتهای غیرقابل تصور از امور عینی , برخاسته ازشیوه برخورد یا نحوه تبیین ماست. هرامرعینی، اگرچه دریک یا چند جنبه، نامتناهی و غیرقابل تصور باشد، حداقل دریک یا چند جنبه، متناهی و قابل تصوراست واتفاقاً همین امر هم هست که آن را عینی و موجود می سازد برای مثال: عدد گنگِ(irrational number ) 2√ وقتی بصورت یک عدد اعشاری، یعنی …4142135/1 بیان می شود، این رشته، نامتناهی وغیرقابل تصوراست، اما وقتی که تحت عنوان وتر یک مثلث قائم الزاویه ی متساوی الساقین که طول هرساقِ آن یک واحد است بیان شود، کاملاً قابل تصور وعینی می گردد. "هرچیزی که فکر درباره آن می اندیشد چه به طور واضح مستدل باشد و یا نباشد, یک واقعیت است. در عین حال که ممکن است باطل و کذب باشد و یا به وضوح مدلل, ولی همچنان یک واقعیت است… دربارهء Actuality باید گفت آیا Thing واقعیت دارد؟آیا حضورش یک واقعیت مسلم است؟ طبق فرهنگ لغات, واژهء Fact یعنی آنچه که عملاً و به عینیت اتفاق افتاده است" [6] مطابق آنچه که گفته شد سیکل کارنو نوعاً واقعی (real) است.

و دست کم وجود ذهنی آن را نمی توان انکار کرد. ضمن آنکه دانستیم هر واقعیتی، لزوماً عینی نیست؛ و همچنین بررسی کردیم که هرگاه امری, قابل فهم و درک و قابل توضیح و تصورنباشد، آن امراساساً وجود ندارد و بطور دقیق تر، واقعیت (reality) ندارد.

1.3 آیا دستیابی به کارایی صد درصد, مستلزم نقض قانون دوم ترمودینامیک است؟

عوامل برگشت ناپذیری (Irreversibility) سبب اتلاف انرژی شده و دستیابی به کارایی صددرصد را ناممکن می کنند. ﺴﺆالی که منطقاً مطرح می گردد این است که اگر موتور حرارتی(Heat engine) با کارایی صددرصد عملی نیست حداکثر کارایی قابل حصول چقدر است؟ در پاسخ به این پرسش باید فرآیند ایده آل را تعریف کرد که فرآیند بازگشت پذیر (Reversible) نامیده می شود. فرایند بازگشت پذیر برای سیستم به صورت " فرآیندی که قابل بازگشت است و به گونه ای انجام می گیرد که هیچ گونه تغییری در سیستم یا محیط به جای نمی گذارد" [7] تعریف می گردد. از جمله عواملی که سبب بازگشت ناپذیری می شوند می توان چند عامل نظیر اصطکاک, انبساط آزاد, انتقال حرارت به دلیل اختلاف محدود درجه حرارت, اختلاط دو ماده مختلف, اثرات پسماند ,و اتلاف iR^2 در شبکه های الکتریکی و فرآیند احتراق را نام برد. اگر کارایی همه موتورهای حرارتی کمتر از %100 باشد در این صورت کاراترین سیکلی که در عمل می توان داشت چیست؟ چنین برداشتی دقیقاً بیانگروجود دیدگاههای مبتنی بر پراگماتیسم در ترمودینامیک مهندسی است. بر اساس این دیدگاه ,امید به ساخت و طراحی ماشین های حرکت دائم PMM و نیز بهره برداری صددرصد از موتورهای حرارتی بی فایده تلقی شده و به بیان دیگر از ما می خواهد که مناقشه بر سر کارایی صد درصد را اساسا ً کنار بگذاریم و در مقابل به آنچه عملاً میسر و در دسترس است بپردازیم تا بلکه برای ما دستاوردها و نتایج عملی سودمند داشته باشد. اگر همه فرآیندهای یک سیکل ترمودینامیکی بازگشت پذیر باشند کاراترین سیکلی که می تواند بین دو منبع درجه حرارت ثابت عمل کند سیکل کارنو(carnot) است. در این حالت, سیکل نیز بازگشت پذیر خواهد بود و از این رو چنانچه سیکل معکوس گردد موتور حرارتی تبدیل به یخچال خواهد شد. سیکل کارنو چهار فرآیند اساسی را در بر می گیرد که شامل دو فرآیند دما ثابت بازگشت پذیر و نیز دو فرآیند آدیاباتیک بازگشت پذیر (آیزنتروپیک) می باشد. دو قضیه درباره کارایی سیکل کارنو وجود دارد که نشان می دهد نمی توانیم موتور بازگشت ناپذیری داشته باشیم که کارایی آن از موتور بازگشت پذیری که بین همان دو منبع کار می کند بیشتر باشد. (چنین فرضی به نقض قانون دوم ترمودینامیک منجر خواهد شد). و قضیه دیگر بیان می دارد که همه موتورهایی که در سیکل کارنو بین دو منبع درجه حرارت ثابت عمل می کنند دارای کارایی یکسانی خواهند بود. در این مورد فرض می شود سیکل کارنویی وجود دارد که کارایی آن از سیکل کارنوی دیگری که بین همان دو منبع کار می کند بیشتر است و در نهایت این فرض اولیه نیز به نقض قانون دوم ترمودینامیک می انجامد. ضمن آنکه استدلال نوعاً درستی داشته ایم تنها نتیجه ممکن این خواهد بود که فرض اولیه نادرست بوده باشد. مغایرت فرآیندهای حقیقی با مدلهای ایده آل مربوط به عوامل برگشت ناپذیری است. بنابراین درمباحث ترمودینامیک مهندسی پذیرفته شده است که هرگز نمی توان بر عوامل برگشت ناپذیری غلبه کرد و از این رو دستیابی به کارایی صد در صد از اساس منتفی است. با این وصف سیکل کارنو صرفاً یک مدل ایده آل ذهنی است و تاکنون وجود عینی نداشته است. پس ترمودینامیک مهندسی تنها با سیکلهای مبنا سر و کار خواهد داشت و به "ملاحظاتی در مورد تعدیلات خاصی که هدف از آنها بهبود عملکرد در سیکلهای مبناست" می پردازد. نمونه هایی از این تعدیلات در راستای افزایش کارایی سیکلهای مبنا را می توانیم در تعبیه و طراحی ابزار و تجهیزاتی نظیر بازیاب ها و گرمکن آب تغذیه و … مشاهده کنیم. نیروگاه های ساده بخار در سیکل رنکین کار می کنند که کارایی آن از کارایی سیکل کارنو کمتر است. به دو دلیل سیکل رنکین یک سیکل مبناست. اول اینکه در فرآیند پمپ کردن سیکل کارنو سیال کاری در ناحیه دوفاز قرار دارد و ساختمان پمپی که بتواند مایع و بخار را دریافت و به صورت مایع اشباع تخلیه کند با مشکلات زیادی روبرو خواهد شد. ثانیاً در سیکل کارنو تمام انتقال حرارت باید در درجه حرارت ثابت انجام بگیرد.این بدان معنی است که حرارت باید به بخار در حال انبساط و تولید کار انتقال یابد که این چندان ممکن نیست.(اما در سیکل رنکین, بخار در فشار ثابت مافوق گرم می شود.)

بنابر این سیکل رنکین سیکل ایده آلی است که در عمل می توان تقریب زد. از این رو راهکارهایی اندیشیده می شود تا کارایی سیکل مبنای رنکین به کارایی مدل ایده آل کارنو نزدیک شود که از آن جمله می توان به ﺘﺄثیر متغیرهایی چون فشار و درجه حرارت اشاره کرد. در عین حال این تمهیدات هر یک محدودیت خاصی را نیز ایجاب می کنند. به عنوان مثال کاهش فشار کندانسور, افزایش فشار بویلر و مافوق گرم کردن بخار آب در بویلر که به افزایش کارایی سیکل رنکین می انجامند محدودیتهای زیادی را دربردارند. سایش تیغه های توربین, افزایش محتوی رطوبت و کیفیت بخار آب و … از پیامدهای آن است. مدلهایی نظیر سیکل بازیاب ایده آل نیز به دلیل همین محدودیتهای ابزار عملی نیستند. کارایی سیکل بازیاب ایده آل دقیقاً برابر با کارایی سیکل کارنو است. اما موانعی بر سر تحقق آن وجود دارد. نخست آنکه "امکان انتقال حرارت لازم از بخار آب موجود در توربین به آب تغذیه وجود ندارد. دیگر اینکه به علت انتقال حرارت, محتوی رطوبت بخار خروجی از توربین به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش خواهد یافت که می تواند به سایش تیغه های توربین منجر شود. " [7] برداشت بخار از دیگر تمهیداتی است که برای افزایش کارایی سیکل انجام می گیرد. اگر از تعداد زیادی مرحله برداشت بخار و گرمکن های آب تغذیه استفاده شود کارایی سیکل نزدیک به کارایی سیکل ایده آل بازیاب (معادل کارایی سیکل کارنو) خواهد شد. لیکن در نیروگاهها مراحل برداشت بخار به ندرت از پنج مرحله بیشتر می شود. " این کار در عمل از نظر اقتصادی قابل توجیه نیست, زیرا صرفه جوییهای ناشی از افزایش کارایی به مراتب کمتر از آن است که هزینه تجهیزات اضافی (گرمکن آب تغذیه, لوله کشی و .. را جبران کند. " انجام این تمهیدات _بدون در نظر گرفتن صرفه اقتصادی_ ,استفاده از تعداد بسیار زیادی گرمکن حرارتی, در اختیار داشتن پمپی که هیچ الزامی بر مایع بودن فاز ورودی آن درکار نباشد و بتواند در ناحیه دو فاز عمل کند, بویلری که در سوپرهیت کردن بخار, محدودیت حرارتی نداشته باشد, شاید روزی دستیابی به کارایی صد در صد را ممکن کند. و باز هم شاید بتوان تصور کرد روزی با طراحی و تعبیه گریزگاههایی بتوان افتهای توربین, افتهای پمپ, افتهای چگالنده ,افتهای لوله کشی, که همه به نوعی بر اثر وجود عوامل بازگشت ناپذیری شکل می گیرند و سد راه افزایش کارایی میگردند, را جبران و عملاً بی اثر نمود, بی آنکه ناقض قانون دوم ترمودینامیک باشد, درست هماگونه که ﺘﺄثیر برخی از راهکارها را در افزایش کارایی مشاهده نمودیم. بنابراین دستیابی به کارایی صد درصد می تواند مستلزم نقض قانون دوم ترمودینامیک نباشد و با واسطه و بدون نقض این قانون هم بتوان بر عوامل بازگشت ناپذیری غلبه کرد.

مآخذی که به آنها استناد شده:

[1]تاریخ فلسفه/ جلد دوم/ پراگماتیسم/ زریاب خویی

[2] عینیت و واقعیت/امیل میرسون Emil Meyerson / [3]ساختار انقلابهای علمی/ توماس کوهن

[4] نسبیت خاص/ هادی هادی پور

Segments [5] Philosophical / Dr. F. Hamidi

[6]حقیقت و واقعیت/مناظرات کریشنا مورتی و دکتر بوهم

[7]ترمودینامیک مهندسی/ زونتاگ بورگناک ون وایلن

——————————————————–

——————————————————————

منبع : CPH