ضریب تراکم پذیری گازها یا Z فاکتور

ضریب تراکم پذیری گازها یا Z فاکتور

ضریب تراکم پذیری گازها یا Z فاکتور چیست؟ گاز‌ها بسیار پیچیده هستند. آن‌ها از میلیارد‌ها مولکولل دارای انرژی، تشکیل شده‌اند که می‌توانند به یکدیگر برخورد کرده و حتی با یکدیگر ارتباط داشته باشند. با توجه به این پیچیدگی، توصیف رفتار گاز‌ها نیز مشکل خواهد بود. یکی از این رفتارها فاکتور تراکم پذیری گازها است، که به عنوان “ضریب انحراف”یا “ضریب zنیز نامیده می شود. که میزان اختلاف حجم واقعی گاز از حجم اسمی آن گاز را در یک فشار و دمای ثابت بیان می دارد.

گازها به دو دسته ایده آل یا کامل و غیرایده آل یا حقیقی تقسیم می شوند. به گازهایی که رفتار آنها با توجه به نظریه جنبش مولکولی گازها قابل پیش بینی است گازهای ایده آل و به گازهای غیر از این، گازهای غیر ایده آل گفته می شود. لازمه ی اینکه گازها رفتار ایده آل داشته باشند این است که در بین مولکولهای گازها جاذبه ای وجود نداشته باشد. یعنی گاز بسیار رقیق باشد و فاصله ی مولکولها از یکدیگر زیاد باشد. در عمل و در غلظت زیاد از گازها، گازها دارای رفتار غیرایده آل می باشند. اما در فشار و دمای کم که برهم کنش مولکولها یا اتم های گاز با یکدیگر اندک است, رفتار گازها به ایده آل نزدیک می شود. گازهای ایده آل از قوانین گازها تبعیت می کنند.

استفاده از ضریب تراکم پذیری گازها یا Z فاکتور در محاسبات غواصی:

دانستن میزان هوای داخل کپسول غواصی یکی از مهم ترین فاکتورها در غواصی است. با دانستن میزان گاز تنفسی، غواصان می توانند زمان عملیات غواصی را محاسبه و طرح ریزی نمایند. این موضوع علاوه بر افزایش ایمنی، درک بهتری برای اجرای صحیح و به موقع عملیات در زیر آب ارایه می دهد. تمام گازها دارای چهار متغیر فشار (P)، حجم (V)، دما (T) و تعداد مولها (n) هستند. باید رابطه‌ای بین این چهار متغیر وجود داشته باشد. قانون ساده گازها رابطه بین دو متغیر را وقتی که دو متغیر دیگر ثابت باشند، بیان می‌کند. طبق قانون بویل – ماریوت، وقتی تعداد مولها و دما ثابت باشند، فشار با حجم به نسبت عکس تغییر می‌کند.

قانون شارل –گیلوساک بیان می‌کند که در فشار و تعداد مولهای ثابت، حجم یک گاز با دمای آن نسبت مستقیم دارد و همچنین در حجم و تعداد مولهای گازی ثابت، فشار آن گاز با دما نسبت مستقیم دارد.

معادله حالت یک گاز کامل، رابطه‌ای بین چهار متغیر را بیان می‌کند و بدین صورت می‌باشد:{PV = nRT}  در این معادلهR  ثابت گازهای ایده‌آل می‌باشد. هر گازی که از این معادله تبعیت کند گاز ایده‌آل یا کامل است. اما برای گاز ایده آل تعریف مناسبتری نیز وجود دارد. گاز ایده آل گازی است که:

  • حجم اشغال شده توسط خود مولکولهای گاز (حجم خودی یا حجم مستثنی شده) قابل صرف نظر یا به عبارتی صفر باشد.
  • نیروهای بین مولکولی (شامل نیروهای جاذبه و دافعه) صفر باشد.

هر عاملی که گازها را به این دو شرط اساسی نزدیک کنند، باعث نزدیکی گاز به حالت ایده‌آل می‌شود. مثلا افزایش حجم، افزایش دما، کاهش فشار، کاهش چگالی یا تراکم مولکولها یا غلظت، همه باعث نزدیک شدن گازها به حالت ایده‌آل می‌شوند.

به عبارتی دیگر گاز ایده آل گازی است که نیروهای بین مولکولی (چه دافعه و چه جاذبه) در آن قابل چشم پوشی است و نیز بین فشار (P)، حجم(V) ، دمای کلوین(T) و مقدار مول(n)  آن رابطه زیر برقرار است:

PV=nRT (که داریمR=8.314 پاسکال.مترمکعب بر مول.کلوین یاR=0.082 لیتر.اتمسفر بر مول.کلوین).

گاز کامل دقیقاً همان گاز ایده آل است.

گاز حقیقی چیست؟ گازهایی که از رابطهPV=nRT تبعیت نمی کنند، گازهای غیرایده آل یا گازهای حقیقی نامیده می‌شوند.

در شرایط دما و فشار معمولی، گازهای حقیقی بطور نسبتا کامل از قوانین گازهای ایده‌آل پیروی می‌کنند. ولی دردماهای پایین و یا در فشارهای بالا یا هر دو مورد، گازهای حقیقی از گازهای ایده‌آل انحراف نشان می‌دهند. علل انحراف از حالت ایده‌آل به دلیل وجود نیروهای بین مولکولی و حجم مولکولی خود مولکولها است.

هر گازی در فشارهای زیاد و دماهای کم غیر ایده آل می شود و هرچه فشار بیشتر و دما کمتر شود میزان این عدم ایده آلی در گاز بیشتر می شود. (یعنی میزان انحراف گاز از معادلهPV=nRT بیشتر می شود.(

درباره گازهای حقیقی دو نوع انحراف از گاز ایده آل وجود دارد: وقتی جاذبه ها مهم و غیرقابل چشم پوشی است (یعنی در فشارهای نسبتاً زیاد) و وقتی دافعه بین ذرات مهم و غیرقابل چشم پوشی است (در فشارهای بسیار بسیار زیاد مثلاً چند صد بار).

نحوه محاسبه حجم هوای موجود در سیلندر با استفاده از ضریب تراکم پذیری گازها یا Z فاکتور:

حجم سیلندرها توسط ابعاد داخلی آنها تعریف می شود و به طور معمول به فوت مکعب یا لیتر آب اندازه گیری می شود. تعریف ظرفیت آزاد یا حجم اتمسفریک: مقدار گاز تنفسی آزاد شده در سطح است که سیلندر در حداکثر فشار کاری مورد نظر در خود نگه داشته است. تعیین ظرفیت آزاد واقعی از گنجایش آبی ( مقدار حجم آبی که داخل سیلندر جا می گیرد) سیلندر کمی مشکل است، چون که محاسبه واقعی آن تنها از حجم در فشار نهایی سیلندر به دست نمی آید. در عمل، سیلندرهای مختلف ۵٪تا ۱۰٪برای هوا و مخلوط نیتروکس و ۱۰٪ تا ۲۰٪ برای تریمیکس گاز کمتری نسبت به روش محاسبه توصیف شده در خود دارند.

ساده ترین روش برای تعیین ظرفیت واقعی گاز سیلندر اسکوبا این است که از ضریب تراکم پذیری گازها یا Z فاکتور استفاده نمود. برای محاسبه ظرفیت واقعی، ظرفیت اسمی سیلندر را تقسیم بر ضریب Z که از جدول زیر بدست آمده، کنید. این جدول به گونه ای تنظیم شده است که بیشتر فشار ها و مخلوط ها را پوشش می دهد. فقط به این دلیل که در این جدول ضریب های Z  لیست شده در فشارهای بالاتر در این جدول به این معنا نیست که شما می توانید یا باید مخزن را تا این فشار پر کنید، به ویژه اکسیژن خالص.

فرمول محاسبه حجم واقعی سیلندر:

فشار کاری × (فوت مکعب) حجم آبی = ظرفیت اسمی سیلندر  (psi)(696/14 در اینچ مربع) فشار اتمسفر÷

فشار کاری × (لیتر) حجم آبی = ظرفیت اسمی سیلندر  (بار)(۱ بار) فشار اتمسفر ÷

(دما @ گاز و فشار) ضریب Z÷ ظرفیت اسمی »ظرفیت واقعی سیلندر

 

نوع گاز

۲۰۱۵ psi

۷۰°F

۲۶۴۰ psi

۷۰°F

۳۰۰۰ ps

۷۰°F

۳۴۴۲psi

۷۰°F

۳۶۰۰ psi

۷۰°F

۲۰۷ bar

۱۵°C

۲۳۲ bar

۱۵°C

۳۰۰ bar

۱۵°C

نیتروکس ۵۰%

۹۷۷۳/۰ »

۹۸۹۷/۰ »

۰۰۰۷/۱ » ۰۱۷۸/۱ » ۰۲۴۸/۱ » ۹۹۳۸/۰ » ۰۰۷۷/۱ »

۰۵۷۵/۱ »

نیتروکس ۳۲%

۹۹۱۲/۰ »

۰۰۸۰/۱ »

۰۲۱۴/۱ » ۰۴۱۲/۱ » ۰۴۹۱/۱ » ۰۱۵۳/۱ » ۰۳۱۶/۱ »

۰۸۶۸/۱ »

هوا (خشک)

۹۹۸۴/۰ »

۰۱۷۳/۱ »

۰۳۲۰/۱ »

۰۵۳۲/۱ » ۰۶۱۵/۱ » ۰۲۶۳/۱ » ۰۴۳۸/۱ »

۱۰۲۰/۱ »

تریمیکس ۳۵/۱۸ (نرمیکس)

۰۶۳۶/۱ »

۰۹۰۱/۱ »

۱۰۶۶/۱ »

۱۲۸۰/۱ » ۱۳۵۹/۱ » ۱۰۶۵/۱ » ۱۲۴۳/۱ »

۱۷۶۴/۱ »

تریمیکس۴۵/۱۸

۰۷۳۶/۱ »

۱۰۱۰/۱ »

۱۱۷۶/۱ »

۱۳۸۹/۱ » ۱۴۶۷/۱ » ۱۱۸۵/۱ » ۱۳۶۲/۱ »

۱۸۶۹/۱ »

تریمیکس ۵۰/۱۰ (هِلی اِیر)

۰۷۸۴/۱ »

۱۰۶۴/۱ »

۱۲۳۳/۱ »

۱۴۴۶/۱ » ۱۵۲۴/۱ » ۱۲۴۶/۱ » ۱۴۲۳/۱ »

۱۹۲۷/۱ »

تریمیکس۵۵/۱۵

۰۷۹۸/۱ »

۱۰۷۵/۱ »

۱۲۴۱/۱ » ۱۴۴۹/۱ » ۱۵۲۴/۱ » ۱۲۵۶/۱ » ۱۴۲۹/۱ » ۱۹۱۸/۱ »

تریمیکس۷۰/۱۰ (هیپوکسیک)

۰۸۳۳/۱ »

۱۱۰۴/۱ »

۱۲۶۲/۱ » ۱۴۵۸/۱ » ۱۵۲۹/۱ » ۱۲۸۴/۱ » ۱۴۴۸/۱ »

۱۹۰۲/۱ »

اکسیژن (خالص)

۹۳۸۷/۰ »

۹۳۸۳/۰ » ۹۴۲۴/۰ » ۹۵۱۵/۰ » ۹۵۵۸/۰ » ۹۳۲۸/۰ » ۹۴۰۰/۰ »

۹۷۳۸/۰ »

هلیوم(خالص)

۰۶۶۸/۱ » ۰۸۶۹/۱ » ۰۹۸۵/۱ » ۱۱۲۵/۱ » ۱۱۷۵/۱ » ۱۰۰۸/۱ » ۱۱۲۶/۱ »

۱۴۴۵/۱ »

 

مثال:

  • سیلندر غواصی آلومینیومی لوکسفر “S 80”

حجم آبی =۶۷۸ اینچ مکعب (۱ فوت مکعب = ۱۷۲۸ اینچ مکعب)

فشار کاری@ ۷۰ درجه فارنهایت = ۳۰۰۰ پوند در اینچ مربع

ظرفیت اسمی = (۱/۸۰ فوت مکعب = ۶۹۶/۱۴ ÷ ۳۰۰۰ × (۱۷۲۸÷ ۶۷۸))

ضریبZ= 0320/1

ظرفیت واقعی = (۶/۷۷ فوت مکعب »۰۳۲۰/۱ ÷ ۱/۸۰)

 

حجم آبی =۱۲ لیتر

فشار کاری در دمای ۱۵ درجه سلسیوس = ۲۳۲ بار

ظرفیت اسمی = (۲۷۸۴ لیتر = ÷ ۲۳۲ ×  ۱۲)

ضریبZ= 0438/1

ظرفیت واقعی = (۲/۲۶۶۷ لیتر »۰۴۳۸/۱ ÷ ۲۷۸۴)

قانون دما و فشار Gay-Lussac می گوید که فشار گاز ایده آل به نسبت دمای آن متفاوت خواهد بود (البته  در حجمی ثابت) یا به عبارتی دیگرفشار گاز محصور به‌طور مستقیم متناسب با درجه حرارت آن است. اکثریت غواصان تاثیر این قانون گاز در زمان پر کردن سیلندر و گرم شدن آن و سپس سرد شدن و افت فشار گاز را عملاً تجربه کرده اند، اما معکوس این فرآیند نیز صادق است. لیکن بیشتر غواصان در مورد اثر درجه حرارت آب بر ظرفیت کپسول غواصی فکر نمی کنند، اما این نیز اهمیت دارد. به عنوان مثال غواصی زیر یخ در (۳۸ درجه فارنهایت/ ۳ درجه سلسیوس) آب با استفاده از کپسول جفتی آلومینیومی AL80 به همراه رگلاتور آب سرد حدوداً معادل ۱۴ فوت مکعب هوا کمتری نسبت به زمانی که در دمای ۷۰ درجه فارنهایت پر شد ه اند در کپسول ها وجود دارد ، یعنی به همین اندازه زمان غوص کوتاه تر خواهد شد.

برای راحتی شما و تعیین ضریب تراکم پذیری گازها یا Z فاکتور می توانید از جدول زیر بهره بگیرید (البته در دمای ۱۵ درجه سلسیوس):

 

نوع سیلندر حجم آبی فشار کاری ظرفیت اسمی ظرفیت واقعی
Ali 80 لوکسفر ۱/۱۰ لیتر ۲۰۷ بار ۲۲۶۸ لیتر ۰۲۲۱۰ لیتر  »
۱۰ لیتری فابر ۱۰ لیتر ۲۳۲ بار ۲۲۹۰ لیتر ۲۱۹۴ لیتر
۱۲ لیتری فابر ۱۲ لیتر ۲۳۲ بار ۲۷۹۳ لیتر ۲۶۷۶ لیتر
۱۲ لیتری ۳۰۰ بار فابر ۱۲ لیتر ۳۰۰ بار ۳۶۱۲ لیتر ۳۲۷۸ لیتر
۱۵ لیتری فابر ۱۵ لیتر ۲۳۲ بار ۳۴۳۴ لیتر ۳۲۹۰ لیتر
۱۸ لیتری فابر ۱۸ لیتر ۲۳۲ بار ۴۱۲۱ لیتر ۳۹۴۸ لیتر

 

نتیجه گیری استفاده از ضریب تراکم پذیری گازها یا Z فاکتور :

حال با توجه به توضیحات فوق و مقایسه ظرفیت اسمی و ظرفیت واقعی دو سیلندر ۱۲ لیتری استیل در جدول انتهایی نتیجه می گیریم که هر چقدر فشار داخل سیلندر را بالا ببریم گاز موجود، تراکم پذیری کمتری می یابد و متناسب با ظرفیت اسمی آن نخواهد بود. ضریب تراکم پذیری گازها یا Z فاکتور یک فرمول بسیار کاربردی است.

دانستن ضریب تراکم پذیری گازها یا Z فاکتور برای هر غواص و مربی غواصی ضروری است. مربیان غواصی می بایستی در حین آموزش غواصی این قبیل فرمول ها را به هنر آموزان بیاموزند. لازمه فعالیت در غواصی بعنوان یک شغل داشتن دانش و به روز رسانی آن می باشد.

admin
ارسال دیدگاه
ارتباط با ما
اقدسیه روبروی خیابان سپند نبش کوچه نیلوفر پلاک 2 واحد 607
09122995000- 02126140592
info@daryakav.com
X