فرایند خفقانشی (Throttling Process): کاهش فشار سیال با عبور از مانع
خفقانشی چیست؟ از مفهوم تا تعریف علمی
تصور کنید در حال باد کردن یک بادکنک هستید و ناگهان آن را رها میکنید. هوای داخل بادکنک با سرعت زیاد از دهانهٔ آن خارج شده و بادکنک به پرواز درمیآید. در این لحظه، هوای در حال خروج، فشار خود را به سرعت از دست میدهد. این یک نمونهٔ ساده و روزمره از کاهش ناگهانی فشار است. اما در مهندسی و فیزیک، ما به دنبال کنترل و استفاده از این کاهش فشار در یک شرایط بسیار خاص هستیم: خفقانشی.
در تعریف دقیقتر، خفقانشی فرایندی است که در آن یک سیال (معمولاً گاز یا مخلوطی از مایع و بخار) از یک مانع یا محدودیت جریان مانند یک شیر تنظیمکننده۵، یک روزنه۶ یا حتی یک دریچهٔ کوچک عبور داده میشود. این مانع به قدری سریع و تنگ است که سیال فرصتی برای تبادل گرما با محیط اطراف خود ندارد. به چنین فرایندی فرایند بیدررو۷ میگویند. همچنین، به دلیل سرعت بالا، میتوان از تغییرات انرژی جنبشی۸ سیال نیز چشمپوشی کرد.
$h_1 = h_2$
که در آن $h_1$ آنتالپی قبل از شیر و $h_2$ آنتالپی بعد از شیر است.
چه اتفاقی در طول خفقانشی میافتد؟ تغییرات دما و فشار
حال سوال جالب اینجاست: اگر انرژی کلی (آنتالپی) ثابت بماند، پس فشار که به شدت کاهش مییابد، چه تأثیری بر دمای سیال میگذارد؟ پاسخ این سوال به مادهٔ خاص سیال و شرایط اولیه آن بستگی دارد و توسط اثر ژول-تامسون۴ توضیح داده میشود.
برای بسیاری از گازها در دمای اتاق (مانند هوا، نیتروژن، $CO_2$)، کاهش فشار در فرایند خفقانشی باعث کاهش دما میشود. این همان اصل کار یخچال است. اما برای برخی گازها در دماهای خاص (مانند هیدروژن و هلیوم در دمای اتاق)، ممکن است دما حتی افزایش یابد! عاملی که جهت تغییر دما را تعیین میکند، ضریب ژول-تامسون۹ نام دارد.
| سیال | شرایط نمونه | تغییر دما پس از خفقانشی | کاربرد مرتبط |
|---|---|---|---|
| مبرد R-134a (در یخچال) | مخلوط مایع/بخار در فشار بالا | کاهش شدید دما (تبخیر و تولید سرما) | سیکل تبرید۱۰ |
| هوا | دمای اتاق، فشار بالا | کاهش ملایم دما | ابزار پنوماتیک۱۱، بعضی سیستمهای خنککن |
| دیاکسید کربن ($CO_2$) | سیال مایع تحت فشار در کپسول |
کاهش بسیار شدید دما (تبدیل مستقیم به یخ خشک۱۲)
نمایش جذاب
|
اسپریهای تمیزکننده، ایجاد مه در صحنه تئاتر |
| هیدروژن ($H_2$) | دمای اتاق، فشار بالا |
افزایش اندک دما
استثناء
|
نیاز به پیشسرمایش برای مایعسازی |
سفر ماده در یک سیکل تبرید: خفقانشی چگونه سرما میسازد؟
برای درک کاربردی خفقانشی، بهتر است مسیر یک ماده مبرد (ماده سرماساز) را در یک یخچال ساده دنبال کنیم. این مسیر یک سیکل بسته است و خفقانشی نقطهٔ اوج تولید سرما در آن است.
مرحله ۱ – تراکم۱۳: گاز مبرد توسط کمپرسور۱۴ فشرده میشود. این کار هم فشار و هم دمای گاز را به شدت افزایش میدهد (مثل وقتی که دوچرخه را باد میکنید و پمپ گرم میشود).
مرحله ۲ – چگالش۱۵: گاز داغ و پرفشار به کندانسور۱۶ (لولههای پشت یخچال) میرود و در آنجا حرارت خود را به هوای آشپزخانه میدهد. در نتیجه، گاز سرد شده و به مایع پر فشار تبدیل میشود.
مرحله ۳ – خفقانشی (قلب فرایند): این مایع پر فشار اکنون به سوی یک شیر بسیار تنگ به نام شیر انبساط۱۷ یا لوله مویین۱۸ هدایت میشود. با عبور از این مانع، فشار آن به طور ناگهانی افت میکند. طبق اثر ژول-تامسون و همچنین به دلیل نیاز انرژی برای تبخیر، دمای مخلوط مایع/گاز به شدت کاهش مییابد. این همان تولید سرما است!
مرحله ۴ – تبخیر۱۹: مخلوط سرد و کمفشار وارد اواپراتور۲۰ (لولههای داخل محفظه یخچال) میشود. در اینجا گرما از داخل یخچال را جذب کرده و کاملاً تبخیر میشود تا دوباره به کمپرسور بازگردد و چرخه تکرار شود.
فراتر از خانه: کاربردهای خفقانشی در صنعت و فناوری
خفقانشی فقط به یخچال محدود نمیشود. این فرایند در مقیاسهای بزرگ و کوچک، پایهٔ بسیاری از فناوریها است:
مایعسازی گازها: برای حمل و نقل یا ذخیرهسازی گازهایی مانند اکسیژن پزشکی، نیتروژن مایع یا گاز طبیعی ($LNG$)، باید آنها را به صورت مایع درآوریم. در این فرایند، خفقانشی متوالی (اغلب در ترکیب با سایر روشها) برای سرد کردن گاز تا نقطهٔ میعان۲۱ آن استفاده میشود.
سیستمهای پنوماتیک: در رباتها و ماشینآلاتی که با هوای فشرده کار میکنند، شیرهای کنترل جریان، عملیات خفقانشی را انجام میدهند تا سرعت و نیروی سیلندرها۲۲ را تنظیم کنند. گاهی این کاهش فشار میتواند باعث تشکیل قطرات آب ناشی از میعان رطوبت هوا شود.
کپسولهای آتشنشانی و اسپریها: همانطور که گفته شد، خروج ماده از یک روزنهٔ کوچک، نمونهای کلاسیک از خفقانشی است که هم برای پخش ماده و هم گاهی برای ایجاد سرمای موضعی (مثل اسپریهای بیحسی ورزشی) استفاده میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. این یک باور نادرست رایج است. تغییر دما به ضریب ژول-تامسون۹ گاز و شرایط اولیه (دما و فشار) بستگی دارد. برای هر گاز یک دمای وارونگی۲۳ وجود دارد. در دماهای بالاتر از آن، خفقانشی باعث گرم شدن گاز و در دماهای پایینتر از آن، باعث سرد شدن گاز میشود. هیدروژن و هلیوم در دمای اتاق بالاتر از دمای وارونگی خود هستند، بنابراین در خفقانشی اولیه گرم میشوند.
پاسخ: در انبساط معمولی (مثل انبساط پیستون در موتور)، گاز کار انجام میدهد (پیستون را به حرکت درمیآورد) و انرژی داخلی۲۴ آن تغییر میکند. اما در خفقانشی ایدهآل، سیال از یک مانع ثابت عبور میکند، کار مفیدی انجام نمیدهد و سرعت آنقدر بالاست که تبادل گرمایی با محیط اتفاق نمیافتد. در نتیجه، آنتالپی ثابت میماند، در حالی که در انبساط کاری، آنتالپی معمولاً تغییر میکند.
پاسخ: خفقانشی یک فرایند برگشتناپذیر۲۶ است. کاهش شدید فشار همراه با اصطکاک۲۷ و اغتشاش۲۸ در جریان، باعث میشود بینظمی مولکولها افزایش یابد. در ترمودینامیک، این افزایش بینظمی با افزایش آنتروپی سنجیده میشود. بنابراین، در حالی که آنتالپی ثابت است، آنتروپی سیستم حتماً افزایش مییابد.
پاورقی
۱. خفقانشی (Throttling Process): فرایندی که در آن سیال برای کاهش فشار از یک محدودیت جریان عبور داده میشود.
۲. سیال (Fluid): مادهای که میتواند جاری شود؛ شامل گازها و مایعات.
۳. آنتالپی (Enthalpy): مجموع انرژی داخلی و حاصلضرب فشار در حجم یک سیستم؛ معیاری برای کل انرژی حرارتی.
۴. اثر ژول-تامسون (Joule-Thomson Effect): تغییر دمای یک گاز یا سیال واقعی هنگامی که از طریق یک شیر یا مانع در شرایط عایق حرارتی منبسط میشود.
۵. شیر تنظیمکننده (Throttling Valve/Regulating Valve).
۶. روزنه (Orifice).
۷. فرایند بیدررو (Adiabatic Process): فرایندی که در آن هیچ تبادل گرمایی بین سیستم و محیط رخ نمیدهد.
۸. انرژی جنبشی (Kinetic Energy).
۹. ضریب ژول-تامسون (Joule-Thomson Coefficient, μ): نرخ تغییر دما نسبت به فشار در فرایند آنتالپی ثابت $(\mu = (\partial T / \partial P)_h)$.
۱۰. سیکل تبرید (Refrigeration Cycle).
۱۱. پنوماتیک (Pneumatics): فناوری استفاده از هوای فشرده برای تولید حرکت و نیرو.
۱۲. یخ خشک (Dry Ice): نام رایج دیاکسید کربن جامد.
۱۳. تراکم (Compression).
۱۴. کمپرسور (Compressor).
۱۵. چگالش (Condensation).
۱۶. کندانسور (Condenser).
۱۷. شیر انبساط (Expansion Valve).
۱۸. لوله مویین (Capillary Tube).
۱۹. تبخیر (Evaporation).
۲۰. اواپراتور (Evaporator).
۲۱. نقطهٔ میعان (Condensation Point).
۲۲. سیلندر (Cylinder): یک محفظه استوانهای که پیستون در آن حرکت میکند.
۲۳. دمای وارونگی (Inversion Temperature).
۲۴. انرژی داخلی (Internal Energy).
۲۵. آنتروپی (Entropy): معیاری برای بینظمی یا در دسترس نبودن انرژی در یک سیستم.
۲۶. برگشتناپذیر (Irreversible).
۲۷. اصطکاک (Friction).
۲۸. اغتشاش (Turbulence).
