كيفية قياس درجة الحرارة

قواعد الكيمياء الحرارية هي مجموعة من القواعد التي تحكم سلوك المواد الكيميائية في الظروف الحرارية. وتتضمن هذه القواعد:

1- قانون هس:

ينص هذا القانون على أن حرارة الانتقال الداخلي للنظام المغلق هي مساوية للعمل الذي يقوم به النظام عندما يتغير من حالة إلى حالة أخرى دون تغيير الضغط والحجم الخارجي.

2- القانون الأول للديناميكا الحرارية:

ينص هذا القانون على أن الطاقة لا تستطيع أن تختفي أو تنتج من العدم، وأن الطاقة لا يمكن نقلها بشكل كامل من مكان إلى آخر.

3- القانون الثاني للديناميكا الحرارية:

ينص هذا القانون على أنه لا يمكن تحويل الطاقة بشكل كامل إلى عمل ميكانيكي في دورة حرارية واحدة، وأن هناك دائمًا خسارة في الطاقة الحرارية.

4- قانون زايغلر:

ينص هذا القانون على أن كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة واحدة للمادة هي مساوية للمنتج الحراري لكتلة المادة والتغيير في درجة الحرارة.

5- قانون دالتون:

ينص هذا القانون على أن ضغط الخليط الغازي يساوي مجموع ضغط كل غاز مكون للخليط.

تتأثر نتائج الرياضة بتغييرات في البيئة الطبيعية على عدة أسس، وقد تتضمن ذلك:

1- درجة الحرارة: قد تؤثر درجة الحرارة على أداء الرياضيين بصورة كبيرة. ففي درجات حرارة عالية يمكن أن يعاني الرياضيون من الإجهاد الحراري الذي يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة في الجسم وفقر الأكسجين، مما يؤثر على أدائهم. بينما في درجات حرارة منخفضة يصعب على الجسم تسخين نفسه، مما يسبب تقلص الأوعية الدموية والأداء.

2- الرياح: تأثر الرياح على أداء الرياضيين يعتمد على قوة واتجاه الرياح. ففي حالة وجود رياح قوية قد تؤثر على القدرة على الإجهاد والتوازن والتحكم في الكرة، خاصة إذا كانت الرياح تهب بشكل متقطع أو متغير الاتجاه بشكل غير متوقع.

3- الرطوبة: تؤثر الرطوبة على الجسم والتمثيل الغذائي، حيث تزيد الرطوبة من العرق وتقلل من تبخر العرق، مما يزيد من درجة حرارة الجسم. كذلك، يمكن أن تؤثر الرطوبة على إحساس اللاعبين بالراحة والراحة النفسية للعب.

4- الارتفاع: يمكن أن يؤثر الارتفاع على أداء الرياضيين، إذ إن الارتفاع يسبب قلة الأكسجين في الجو. وعندما يتكيف الجسم مع الارتفاع، فإنه يمكن أن يستفيد الرياضيون من المزايا البيوكيميائية التي تزيد من القدرة الهوائية والعضلية. ومع ذلك، يمكن للارتفاع أن يكون مشكلة حقيقية عندما تحدث تغييرات في المستويات الغازية لأن الجسم يحتاج إلى وقت للتكيف مع هذه الظروف.

هناك عدة رموز رياضية مستخدمة في علم الموائع، ومن بينها:

1. P: الضغط (Pressure)
2. V: الحجم (Volume)
3. T: درجة الحرارة (Temperature)
4. ρ: الكثافة (Density)
5. μ: لزوجة الديناميكية (Dynamic Viscosity)
6. γ: الوزن النوعي (Specific Weight)
7. Q: معدل التدفق (Flow Rate)
8. Re: عدد رينولدز (Reynolds Number)
9. Fr: عدد فروود (Froude Number)
10. Ma: عدد ماخ (Mach Number)

تستخدم في نظم التحكم في درجة الحرارة عدة دوائر كهربائية مثل:

1- مستشعرات الحرارة (Thermistors)

2- مقاومات الحرارة (Resistance Temperature Detectors (RTDs))

3- حساسات الحرارة الإشعاعية (Pyrometers)

4- ترانزستورات التحكم في درجة الحرارة (Temperature Control Transistors)

5- المكثفات الحرارية (Thermal Capacitors)

6- الدوائر المتكاملة الخاصة بالتحكم في درجة الحرارة (Temperature Control Integrated Circuits (ICs))

7- أنظمة الاستشعار اللاسلكية التي تتحكم في درجة الحرارة عن بُعد.

يجب مراعاة العوامل التالية عند اختيار المتطلبات الكهربائية للدوائر الإلكترونية:

1- الجهد: يجب تحديد الجهد المطلوب لتشغيل الدائرة الإلكترونية والتأكد من أنه يتوافق مع جهد الطاقة المتوفرة.

2- التيار: يجب تحديد التيار المطلوب لتشغيل الدائرة الإلكترونية والتأكد من أنه لا يتجاوز الحد الأقصى الذي يستطيع النظام التعامل معه.

3- القدرة الكهربائية: يجب تحديد القدرة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة الإلكترونية والتأكد من أنها تكفي لتشغيل جميع المكونات المطلوبة.

4- مقاومة التيار الهادئ: يجب تحديد مقاومة التيار الهادئ المطلوبة لكل كومبوننت في الدائرة الإلكترونية والتأكد من أنها تكفي لإدخال الطاقة اللازمة لكل كومبوننت.

5- درجة الحرارة: يجب الاهتمام بدرجة الحرارة المحيطة بالدائرة الإلكترونية والتأكد من أنها لا تؤثر على أداء الدائرة.

6- الحجم: يجب تحديد الحجم الصحيح لكل مكون في الدائرة الإلكترونية والتأكد من أنه يتناسب مع حجم الدائرة بشكل عام.

توجد العديد من أنظمة السلامة المستخدمة في الدوائر الكهربائية الصناعية، ومن بينها:

1. نظام الحماية من الحرارة الزائدة (Overtemperature Protection System): يتم استخدام هذا النظام لمراقبة درجة الحرارة في الدوائر الكهربائية ومنع حدوث حمل زائد على المكونات الكهربائية، وذلك بتشغيل نظام التبريد أو قطع التيار الكهربائي عندما ترتفع درجة الحرارة فوق حد معين.

2. نظام الحماية من الزيادة في التيار (Overcurrent Protection System): يتم استخدام هذا النظام لمراقبة تدفق التيار في الدوائر الكهربائية ومنع حدوث تيار زائد على المكونات الكهربائية، وذلك بتشغيل قواطع الدائرة أو قطع التيار الكهربائي عندما يتجاوز التيار الحد المسموح به.

3. نظام الحماية من القصر الكهربائي (Short Circuit Protection System): يتم استخدام هذا النظام للكشف عن وجود قصر كهربائي في الدوائر الكهربائية ومنع حدوث تيار كبير يمكن أن يتسبب في تلف المكونات الكهربائية، وذلك بتشغيل قواطع الدائرة أو قطع التيار الكهربائي عند اكتشاف القصر.

4. نظام الحماية من الفولتية الزائدة (Overvoltage Protection System): يتم استخدام هذا النظام لمراقبة الفولتية في الدوائر الكهربائية ومنع حدوث فولتية زائدة على المكونات الكهربائية، وذلك بتشغيل قواطع الدائرة أو قطع التيار الكهربائي عندما تتجاوز الفولتية الحد المسموح به.

5. نظام الحماية من التيار الخارجي (External Current Protection System): يتم استخدام هذا النظام لحماية الدوائر الكهربائية من التيار الخارجي الذي يمكن أن يتسبب في تلف المكونات الكهربائية، وذلك بتشغيل قواطع الدائرة أو قطع التيار الكهربائي عند اكتشاف تيار خارجي يتجاوز الحد المسموح به.

تختلف الدوائر الكهربائية المستخدمة في أنظمة الأمان الصناعي حسب نوع النظام واستخدامه، ولكن بشكل عام فإن الدوائر الأكثر استخداماً تشمل:

1. دائرة الاستشعار (Sensor Circuit): وهي الدائرة التي تستخدم لرصد حالة الأداة أو الماكينة المراقبة. على سبيل المثال ، يمكن استخدام مستشعرات الضغط أو الحرارة للكشف عن التغيرات في الضغط أو درجة الحرارة.

2. دائرة المعالجة (Processing Circuit): وهي الدائرة التي تعالج المعلومات المستلمة من دائرة الاستشعار وتقوم بتحليلها ومقارنتها بالقيم المثالية للنظام. على سبيل المثال ، يمكن استخدام المعالجة الرقمية للتحقق من أن قيمة الإشارة الجديدة لا تزيد عن الحد المسموح به.

3. دائرة الإخراج (Output Circuit): وهي الدائرة التي تقوم بإدخال إشارات التحكم المناسبة للنظام المراقب لضمان سلامة عملية الإنتاج. على سبيل المثال ، يمكن استخدام المفاتيح الدوائية أو الصمامات الكهربائية لتشغيل أو إيقاف الماكينة.

4. دائرة الطاقة (Power Circuit): وهي الدائرة التي توفر الطاقة اللازمة لتشغيل النظام. وعادة ما تكون هناك دائرة طاقة واحدة لكل نظام منظم.

وهناك العديد من الدوائر الكهربائية الأخرى التي يمكن استخدامها في أنظمة الأمان الصناعي ، بما في ذلك الدوائر الليزرية والدوائر الكهروميكانيكية والدوائر الإلكترونية الأخرى.

يتأثر عمر الدوائر الكهربائية بعدة عوامل، منها:

1- درجة الحرارة: قد يؤدي تعرض الدائرة لدرجات حرارة عالية إلى تأثير سلبي على المواد الكيميائية المستخدمة في الدائرة، مما قد يؤدي إلى تدهور الدائرة.

2- التآكل: قد يتعرض الأجزاء المعدنية في الدائرة إلى التآكل بسبب التعرض للرطوبة والأكسجين وغيرها من المواد الأخرى.

3- الاهتزاز والصدمات: قد يتعرض الأجزاء الإلكترونية في الدائرة إلى الصدمات والاهتزازات، مما يؤدي إلى تلف الدائرة بشكل سريع.

4- الجهد العابر للحدود: يمكن أن يتعرض الدائرة للأضرار بسبب الجهد الزائد الناتج عن العواصف الكهربائية وغيرها من الأحداث.

5- الاستخدام الزائد: يمكن أن تتآكل الدوائر الكهربائية بسبب الاستخدام الزائد أو الإفراط في التشغيل.

6- جودة المواد: يؤثر نوعية المواد المستخدمة في صناعة الدائرة على متانتها وعمر استخدامها.

تحميل الدوائر الكهربائية يمكن أن يتأثر بعدة عوامل، بما في ذلك:

1. مقاومة الموصلية: تحدد مقاومة الموصلية مقدار التيار الكهربائي الذي يمكن أن يمر عبر الدائرة. كلما زادت مقاومة الموصلية، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

2. الجهد الكهربائي: يشير الجهد الكهربائي إلى القوة الدافعة للتيار الكهربائي. كلما زاد الجهد الكهربائي، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

3. السعة: تحدد السعة قدرة الدائرة على تخزين الطاقة الكهربائية. كلما زادت السعة، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

4. المقاومة: تحدد المقاومة قدرة الدائرة على تدفق التيار الكهربائي. كلما زادت المقاومة، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

5. التردد: يحدد التردد كمية التيار الكهربائي التي تمر عبر الدائرة في وحدة الزمن. كلما زاد التردد، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

6. درجة الحرارة: تحدد درجة الحرارة قدرة الدائرة على تحمل التيار الكهربائي. كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت القوة الكهربائية المطلوبة لتشغيل الدائرة.

هناك عدة طرق لتحسين جودة الدوائر الكهربائية في أنظمة التحكم، ومن بينها:

1. استخدام مكونات ذات جودة عالية: يجب استخدام مكونات ذات جودة عالية وموثوق بها في تصميم الدوائر الكهربائية. يجب البحث عن مكونات من الشركات المعروفة والموثوقة والتأكد من أنها تلبي المعايير الصناعية المطلوبة.

2. التوافق الكهرومغناطيسي: يجب أن تكون الدوائر الكهربائية محمية من التداخلات الكهرومغناطيسية من مصادر خارجية مثل التيار الكهربائي العابر والمحركات الكهربائية. يمكن استخدام فلاتر الحث والتوافق للتحكم في هذه التداخلات.

3. التصميم الجيد: يجب تصميم الدوائر الكهربائية بعناية لتقليل التداخلات والتشويش. يمكن استخدام قواعد التصميم الجيدة مثل تجنب تقاطع الأسلاك واستخدام مسارات الأرضية المنفصلة للإشارات الرقمية والتمييز بين الإشارات الرقمية والتناظرية.

4. الحماية من الصواعق: يجب حماية الدوائر الكهربائية من تأثير الصواعق والتغيرات الكهربائية الكبيرة. يمكن استخدام محولات العزل والمكونات الحماية مثل قواطع الدوائر ومكثفات الحماية لتقليل هذه التأثيرات.

5. الفحص والاختبار: يجب إجراء فحص واختبار شامل للدوائر الكهربائية قبل تثبيتها وتشغيلها. يتضمن ذلك فحص المكونات والروابط والأسلاك والتأكد من أنها تعمل بشكل صحيح وفقًا للمواصفات المطلوبة.

6. التحكم في الحرارة: يجب أن تكون الدوائر الكهربائية مصممة للتحكم في درجة الحرارة. يمكن استخدام مبردات الحرارة والمروحات والتهوية الجيدة للحفاظ على درجة حرارة مستقرة ومنخفضة في الدوائر الكهربائية.

7. الصيانة الدورية: يجب إجراء صيانة دورية للدوائر الكهربائية للتأكد من حالتها الجيدة والتحقق من عدم وجود أي مشاكل أو تلف في المكونات. يجب تنظيف الدوائر الكهربائية وإزالة أي تراكم للغبار أو الأوساخ التي قد تؤثر على أداء الدوائر.