חום, לחץ, גזים ונוזלים – מבחן אווירודינמיקה רת״א

חום וטמפרטורה

חום – אנרגיה שעוברת בגלל הפרש טמפרטורה.
טמפרטורה – מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות.

סולמות

סולם	קיפאון מים	רתיחה	אפס מוחלט
צלזיוס	`0°C`	`100°C`	`−273°C`
פרנהייט	`32°F`	`212°F`	`−460°F`
קלווין	`273K`	`373K`	`0K`
רנקין	`492°R`	`672°R`	`0°R`

המרות

°F = (°C × 9/5) + 32
°C = (°F − 32) × 5/9
K = °C + 273
°R = °F + 460

דוגמה: 15°C = 59°F = 288K.

יחידות חום

BTU – החום שמחמם ליברה אחת של מים ב-1°F.
קלוריה – מחממת גרם מים ב-1°C.

העברת חום

שיטה	עיקרון	דוגמה
הולכה (Conduction)	מגע ישיר	צלעות צילינדר
הסעה (Convection)	תנועת נוזל או גז	אוויר מקרר
קרינה (Radiation)	גלים אלקטרומגנטיים	שמש, פליטה חמה

חום כמוס וחום סגולי

חום סגולי – כמה חום דרוש לחמם חומר. למים חום סגולי גבוה.
חום כמוס (Latent heat) – חום שנספג או משתחרר בשינוי מצב בלי שינוי טמפרטורה – אידוי, התעבות, קיפאון. עיקרון המזגן ועיקרון קרח המאייד.

התפשטות תרמית

רוב החומרים מתרחבים בחום. אלומיניום מתרחב בערך פי 2 מפלדה – חשוב בהתאמות (מסבים, צילינדרים).

לחץ

P = F / A

סוג לחץ	הגדרה
מוחלט (Absolute – psia)	מאפס מוחלט (ואקום מלא)
מד (Gauge – psig)	מעל הלחץ האטמוספרי. `psia = psig + 14.7`
דיפרנציאלי (psid)	הפרש בין שתי נקודות

לחץ אטמוספרי סטנדרטי: 14.7 psi = 29.92 inHg = 1013.25 hPa = 760 mmHg.

חוקי הגזים

חוק	קבוע	נוסחה
בויל (Boyle)	טמפרטורה	`P1 × V1 = P2 × V2` – לחץ ונפח הפוכים
שארל (Charles)	לחץ	`V1 / T1 = V2 / T2` – נפח יחסי לטמפרטורה
גיי-לוסאק	נפח	`P1 / T1 = P2 / T2` – לחץ יחסי לטמפרטורה
חוק הגזים הכללי		`P1V1/T1 = P2V2/T2`
דלטון (Dalton)		הלחץ הכולל = סכום הלחצים החלקיים

דוגמה (בויל): 10 אינץ׳ מעוקב גז ב-50 psia, דוחסים ל-5: P2 = 100 psia.

דוגמה (גיי-לוסאק): בקבוק חנקן 2,000 psia ב-20°C (293K), מתחמם ל-50°C (323K): P2 ≈ 2,205 psia. לכן לחצי מילוי של בקבוקים וצמיגים לפי טבלת טמפרטורה.

נוזלים

חוק פסקל

לחץ על נוזל סגור מועבר בשווה לכל הכיוונים. בסיס ההידראוליקה.

לחץ הידרוסטטי

לחץ של עמוד נוזל: תלוי בגובה ובצפיפות – לא בצורת המיכל.

עקרון ארכימדס – ציפה

גוף בנוזל נדחף כלפי מעלה בכוח השווה למשקל הנוזל שהוא דוחק. הבסיס לכובד סגולי (הידרומטר צף), לבלונים ולמטוסי ים.

ברנולי ונוזלים בתנועה

בזרימה, כשהמהירות עולה – הלחץ הסטטי יורד (האנרגיה הכוללת נשמרת).

ונטורי – היצרות: מהירות עולה, לחץ יורד.
פרופיל כנף – זרימה מהירה יותר מעל הכנף – לחץ נמוך יותר.
לחץ כולל = לחץ סטטי + לחץ דינמי. q = ½ρV².

גלי קול

מהירות הקול תלויה בטמפרטורה בלבד (בגז). 661 קשר בגובה פני הים בתנאים סטנדרטיים; יורדת עם הטמפרטורה.
תדר – גובה הצליל; עוצמה – בדציבל.
אפקט דופלר – שינוי התדר כשהמקור זז.

לחות

לחות יחסית – כמה אדי מים יש באוויר ביחס למקסימום בטמפרטורה זו.
נקודת טל – הטמפרטורה שבה האוויר רווי.
אדי מים קלים יותר מאוויר יבש – אוויר לח פחות צפוף.

נקודות למבחן

°C = (°F − 32) × 5/9; K = °C + 273.
הולכה, הסעה, קרינה.
psia = psig + 14.7.
חישובי גזים – תמיד בטמפרטורה ולחץ מוחלטים.
בויל – P ו-V הפוכים; שארל – V ו-T יחסיים.
ברנולי – מהירות עולה, לחץ סטטי יורד.
מהירות הקול תלויה בטמפרטורה.
אוויר לח פחות צפוף.