التبادل المعاكس

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 17 صور
الموسوعة الحرة
تبادل التيار الحراري المضاد: لاحظ الفرق المتناقص تدريجيًا وأن التيارات الساخنة والباردة تخرج بفارق درجة حرارة معكوس؛ حيث يصبح التيار الداخل الأكثر سخونة هو التيار الخارج الأكثر برودة والعكس صحيح.

التبادل العكسي هو آلية تحدث في الطبيعة ويتم محاكاتها في الصناعة والهندسة، حيث يحدث تقاطع لبعض الخصائص، عادة الحرارة أو بعض المواد الكيميائية، بين جسمين متدفقين يتدفقان في اتجاهين متعاكسين لبعضهما البعض. يمكن أن تكون الأجسام المتدفقة سوائل أو غازات أو حتى مساحيق صلبة أو أي مزيج من تلك. على سبيل المثال، في عمود التقطير ، تتصاعد الأبخرة عبر السائل المتدفق إلى أسفل أثناء تبادل الحرارة والكتلة.

إن الحد الأقصى لكمية الحرارة أو نقل الكتلة التي يمكن الحصول عليها أعلى مع التبادل المعاكس للتيار من التبادل المتوازي (المتوازي) لأن التيار المعاكس يحافظ على فرق أو تدرج بطيء التناقص (عادةً ما يكون فرق درجة الحرارة أو التركيز). في التبادل المتوازي يكون التدرج الأولي أعلى ولكنه ينخفض ​​بسرعة، مما يؤدي إلى إهدار الجهد. على سبيل المثال، في الرسم التخطيطي المجاور، يكون للسائل الذي يتم تسخينه (الخروج من الأعلى) درجة حرارة خروج أعلى من السائل المبرد (الخروج من الأسفل) الذي تم استخدامه للتسخين. مع التبادل المتوازي أو المتوازي، لا يمكن للسوائل الساخنة والمبردة إلا الاقتراب من بعضها البعض. والنتيجة هي أن التبادل المعاكس للتيار يمكن أن يحقق كمية أكبر من الحرارة أو نقل الكتلة مقارنة بالتوازي في ظل ظروف مماثلة بخلاف ذلك.

انظر: ترتيب التدفق .

يمكن استخدام التبادل المعاكس للتيار عند إعداده في دائرة أو حلقة لبناء تركيزات أو حرارة أو خصائص أخرى للسوائل المتدفقة. على وجه التحديد عند إعداده في حلقة مع سائل عازل بين السائل الوارد والسائل الصادر يعمل في دائرة، ومع مضخات النقل النشط على أنابيب السائل الصادر، يسمى النظام مضاعف التيار المعاكس ، مما يتيح تأثيرًا مضاعفًا للعديد من المضخات الصغيرة لبناء تركيز كبير تدريجيًا في السائل العازل.

تُستخدم دوائر تبادل التيار المعاكس الأخرى حيث تتلامس السوائل الواردة والصادرة مع بعضها البعض للاحتفاظ بتركيز عالٍ من مادة مذابة أو للاحتفاظ بالحرارة، أو للسماح بالتراكم الخارجي للحرارة أو التركيز عند نقطة واحدة في النظام.

توجد دوائر أو حلقات التبادل المعاكس للتيار على نطاق واسع في الطبيعة ، وخاصة في الأنظمة البيولوجية . في الفقاريات، يطلق عليها اسم الشبكة الرائعة ، وهو في الأصل اسم عضو في خياشيم الأسماك لامتصاص الأكسجين من الماء. يتم تقليده في الأنظمة الصناعية. التبادل المعاكس للتيار هو مفهوم رئيسي في الديناميكا الحرارية الهندسية الكيميائية وعمليات التصنيع، على سبيل المثال في استخراج السكروز من جذور البنجر السكري .

إن عملية الضرب المعاكس للتيار هي مفهوم مشابه ولكن مختلف حيث يتحرك السائل في حلقة تليها مسافة طويلة من الحركة في اتجاهين متعاكسين مع منطقة وسيطة. يقوم الأنبوب المؤدي إلى الحلقة ببناء تدرج سلبي للحرارة (أو التبريد) أو تركيز المذيب بينما يتمتع الأنبوب العائد بحركة ضخ صغيرة ثابتة على طوله، بحيث يتم إنشاء تكثيف تدريجي للحرارة أو التركيز نحو الحلقة. تم العثور على عملية الضرب المعاكس للتيار في الكلى [1] وكذلك في العديد من الأعضاء البيولوجية الأخرى.

ثلاثة أنظمة تبادل حالية

ثلاثة طوبولوجيات لأنظمة التبادل المعاكسة للتيار

التبادل المعاكس للتيار والتبادل المتزامن هما آليتان تستخدمان لنقل بعض خصائص السائل من تيار متدفق لسائل إلى آخر عبر حاجز يسمح بتدفق الخاصية في اتجاه واحد بينهما. يمكن أن تكون الخاصية المنقولة حرارة أو تركيز مادة كيميائية أو خصائص أخرى للتدفق.

عند نقل الحرارة، يتم استخدام غشاء موصل للحرارة بين الأنبوبين، وعند نقل تركيز مادة كيميائية يتم استخدام غشاء شبه منفذ .

التدفق المتزامن - نصف النقل

يتم تصوير مقارنة بين عمليات وتأثيرات نظام تبادل التدفق المتزامن والمعاكس في المخططين العلوي والسفلي على التوالي. في كليهما، يُفترض (ويُشار إليه) أن اللون الأحمر له قيمة أعلى (مثل درجة الحرارة) من اللون الأزرق وأن الخاصية المنقولة في القنوات تتدفق بالتالي من اللون الأحمر إلى اللون الأزرق. لاحظ أن القنوات متجاورة إذا كان من المفترض أن يحدث تبادل فعال (أي أنه لا يمكن أن تكون هناك فجوة بين القنوات).

في آلية تبادل التدفق المتزامن، يتدفق السائلان في نفس الاتجاه.

كما أظهر الرسم التخطيطي لآليات التبادل المتزامن والمعاكس، فإن نظام التبادل المتزامن له تدرج متغير على طول المبادل. مع تدفقات متساوية في الأنبوبين، فإن طريقة التبادل هذه قادرة فقط على نقل نصف الخاصية من تدفق إلى آخر، بغض النظر عن طول المبادل.

إذا تغيرت خصائص كل مجرى مائي لتصبح أقرب بنسبة 50% إلى حالة مدخل المجرى المقابل، فسوف يتوقف التبادل عندما يتم الوصول إلى نقطة التوازن، وينخفض ​​التدرج إلى الصفر. وفي حالة التدفقات غير المتساوية، سوف تحدث حالة التوازن أقرب إلى ظروف المجرى ذي التدفق الأعلى.

أمثلة على التدفق المتزامن

تبادل الحرارة المتزامن والمعاكس

المبادل الحراري المتزامن هو مثال على آلية تبادل التدفق المتزامن.
يحتوي أنبوبان على سائل يتدفق في نفس الاتجاه. يبدأ أحدهما ساخنًا عند 60 درجة مئوية، والثاني باردًا عند 20 درجة مئوية. يسمح الغشاء الموصل للحرارة أو القسم المفتوح بنقل الحرارة بين التدفقين.

يسخن السائل الساخن السائل البارد، ويبرد السائل البارد السائل الدافئ. والنتيجة هي التوازن الحراري: ينتهي كلا السائلين عند نفس درجة الحرارة تقريبًا: 40 درجة مئوية، تقريبًا بين درجتي الحرارة الأصليتين (20 و60 درجة مئوية). في نهاية الإدخال، يوجد فرق كبير في درجة الحرارة يبلغ 40 درجة مئوية ونقل كبير للحرارة؛ في نهاية الإخراج، يوجد فرق صغير جدًا في درجة الحرارة (كلاهما عند نفس درجة الحرارة 40 درجة مئوية أو قريبة منها)، ونقل قليل جدًا للحرارة إن وجد. إذا تم الوصول إلى التوازن - حيث يكون كلا الأنبوبين عند نفس درجة الحرارة - قبل خروج السائل من الأنابيب، فلن يتحقق المزيد من نقل الحرارة على طول الطول المتبقي من الأنابيب.

مثال مماثل هو تبادل التركيز المتزامن . يتكون النظام من أنبوبين، أحدهما به محلول ملحي (مياه مالحة مركزة)، والآخر به مياه عذبة (تحتوي على تركيز منخفض من الملح)، وغشاء شبه نافذ يسمح فقط للماء بالمرور بين الاثنين، في عملية تناضحية . تمر العديد من جزيئات الماء من تدفق المياه العذبة لتخفيف المحلول الملحي، بينما ينمو تركيز الملح في المياه العذبة باستمرار (نظرًا لأن الملح لا يترك هذا التدفق، بينما يترك الماء). سيستمر هذا، حتى يصل كلا التدفقين إلى تخفيف مماثل، مع تركيز في مكان ما بالقرب من منتصف الطريق بين التخفيفين الأصليين. بمجرد حدوث ذلك، لن يكون هناك المزيد من التدفق بين الأنبوبين، حيث يكون كلاهما عند تخفيف مماثل ولا يوجد المزيد من الضغط التناضحي .

التدفق المعاكس للتيار - نقل كامل تقريبًا

مخطط تبادل الحرارة الحلزوني المعاكس للتيار

في التدفق المعاكس، يتحرك التدفقان في اتجاهين متعاكسين.

يحتوي أنبوبان على سائل يتدفق في اتجاهين متعاكسين، مما يؤدي إلى نقل خاصية من أحد الأنبوبين إلى الآخر. على سبيل المثال، قد يكون هذا نقل الحرارة من تدفق سائل ساخن إلى تدفق بارد، أو نقل تركيز المذاب المذاب من تدفق سائل عالي التركيز إلى تدفق منخفض التركيز.

يمكن لنظام التبادل العكسي للتيار أن يحافظ على تدرج ثابت تقريبًا بين التدفقين على طول اتصالهما بالكامل. مع طول طويل بما فيه الكفاية ومعدل تدفق منخفض بما فيه الكفاية، يمكن أن يؤدي هذا إلى نقل جميع الخصائص تقريبًا. على سبيل المثال، في حالة التبادل الحراري، سيكون السائل الخارج ساخنًا تقريبًا مثل حرارة السائل الوارد الأصلي.

أمثلة على تدفق التيار المعاكس

في المبادل الحراري المعاكس للتيار ، يصبح السائل الساخن باردًا، ويصبح السائل البارد ساخنًا.

في هذا المثال، يدخل الماء الساخن عند درجة حرارة 60 درجة مئوية إلى الأنبوب العلوي. ويقوم بتسخين الماء في الأنبوب السفلي الذي تم تسخينه على طول الطريق، إلى ما يقرب من 60 درجة مئوية. ولكن لا يزال هناك فرق في الحرارة موجود لمدة دقيقة، ويتم نقل كمية صغيرة من الحرارة، بحيث تكون درجة حرارة الماء الخارج من الأنبوب السفلي قريبة من 60 درجة مئوية. ولأن المدخل الساخن عند أقصى درجة حرارة له وهي 60 درجة مئوية، وأن الماء الخارج من الأنبوب السفلي يقترب من تلك الدرجة ولكن ليس تمامًا، فإن الماء في الأنبوب العلوي يمكن أن يسخن الأنبوب الموجود في الأنبوب السفلي إلى ما يقرب من درجة حرارته الخاصة. وفي الطرف البارد - خروج الماء من الأنبوب العلوي، لأن الماء البارد الذي يدخل الأنبوب السفلي لا يزال باردًا عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، فإنه يمكن أن يستخرج آخر الحرارة من الماء الساخن المبرد الآن في الأنبوب العلوي، مما يخفض درجة حرارته إلى ما يقرب من مستوى سائل الإدخال البارد (21 درجة مئوية).

النتيجة هي أن الأنبوب العلوي الذي كان يستقبل الماء الساخن، أصبح الآن يستقبل الماء البارد الذي يخرج منه عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، بينما الأنبوب السفلي الذي كان يستقبل الماء البارد، أصبح الآن يبعث الماء الساخن عند درجة حرارة تقترب من 60 درجة مئوية. وفي الواقع، تم نقل معظم الحرارة.

شروط الحصول على نتائج نقل أعلى

لا يمكن أن يتم النقل الكامل تقريبًا في الأنظمة التي تنفذ تبادل التيار المعاكس إلا إذا كان التدفقان، بمعنى ما، "متساويين".

لتحقيق أقصى نقل لتركيز المادة، يلزم معدل تدفق متساوٍ للمذيبات والمحاليل . لتحقيق أقصى نقل للحرارة، يجب أن يكون متوسط ​​السعة الحرارية النوعية ومعدل تدفق الكتلة متماثلين لكل تيار. إذا لم يكن التدفقان متساويين، على سبيل المثال إذا تم نقل الحرارة من الماء إلى الهواء أو العكس، فعندئذٍ، على غرار أنظمة التبادل المتزامن، من المتوقع حدوث تباين في التدرج بسبب تراكم الخاصية التي لا يتم نقلها بشكل صحيح. [2]

التبادل المعاكس في الأنظمة البيولوجية

شبكة رائعة = RM

تُستخدم عملية التبادل الحراري العكسي على نطاق واسع في الأنظمة البيولوجية لمجموعة واسعة من الأغراض. على سبيل المثال، تستخدمها الأسماك في خياشيمها لنقل الأكسجين من المياه المحيطة إلى دمها، وتستخدم الطيور مبادلًا حراريًا عكسيًا بين الأوعية الدموية في أرجلها للحفاظ على تركيز الحرارة داخل أجسامها. في الفقاريات، يُشار إلى هذا النوع من الأعضاء باسم rete mirabile (وهو في الأصل اسم العضو الموجود في خياشيم الأسماك). تستخدم الكلى الثديية عملية التبادل الحراري العكسي لإزالة الماء من البول حتى يتمكن الجسم من الاحتفاظ بالمياه المستخدمة لنقل الفضلات النيتروجينية (انظر مضاعف التيار المعاكس).

حلقة الضرب المعاكسة للتيار

رسم تخطيطي لحلقة مضاعفة التيار المعاكس

حلقة الضرب المعاكسة هي نظام يتدفق فيه السائل في حلقة بحيث يكون المدخل والمخرج عند تركيز منخفض مماثل لمادة مذابة ولكن في الطرف البعيد من الحلقة يوجد تركيز مرتفع لتلك المادة. يستقبل سائل عازل بين الأنابيب الواردة والصادرة المادة المركزة. لا تلمس الأنابيب الواردة والصادرة بعضها البعض.

يسمح النظام بتراكم التركيز العالي تدريجيًا، من خلال السماح بتراكم طبيعي للتركيز نحو الطرف داخل الأنبوب الوارد، (على سبيل المثال باستخدام التناضح الأسموزي للمياه من أنبوب الإدخال إلى السائل العازل)، واستخدام العديد من مضخات النقل النشط ، كل منها تضخ فقط ضد منحدر صغير جدًا، أثناء الخروج من الحلقة، مما يعيد التركيز داخل أنبوب الإخراج إلى تركيزه الأصلي.

يبدأ التدفق الوارد بتركيز منخفض، وله غشاء شبه نافذ حيث يمر الماء إلى السائل العازل عن طريق التناضح عند تدرج صغير. ويحدث تراكم تدريجي للتركيز داخل الحلقة حتى يصل إلى أقصى حد له عند طرف الحلقة.

من الناحية النظرية، من الممكن وجود نظام مماثل أو إنشاءه لتبادل الحرارة.

في المثال الموضح في الصورة، يدخل الماء بتركيز 299 مجم/لتر (NaCl / H 2 O). يمر الماء بسبب الضغط الاسموزي الصغير إلى السائل العازل في هذا المثال بتركيز 300 مجم/لتر (NaCl / H 2 O). أعلى الحلقة يوجد تدفق مستمر للماء خارج الأنبوب وإلى السائل العازل، مما يرفع تركيز NaCl تدريجيًا في الأنبوب حتى يصل إلى 1199 مجم/لتر عند الطرف. يكون تركيز السائل العازل بين الأنبوبين متزايدًا تدريجيًا، دائمًا أعلى قليلاً من تركيز السائل الوارد، في هذا المثال يصل إلى 1200 مجم/لتر. يتم تنظيم ذلك من خلال عملية الضخ على الأنبوب العائد كما سيتم شرحه على الفور.

يحتوي طرف الحلقة على أعلى تركيز للملح (كلوريد الصوديوم) في الأنبوب الوارد - في المثال 1199 مجم / لتر، وفي المحلول العازل 1200 مجم / لتر. يحتوي الأنبوب العائد على مضخات نقل نشطة، تضخ الملح إلى السائل العازل بفارق تركيز منخفض يصل إلى 200 مجم / لتر أكثر من الأنبوب. وبالتالي عند مواجهة 1000 مجم / لتر في السائل العازل، يكون التركيز في الأنبوب 800 ولا يلزم ضخ سوى 200 مجم / لتر. ولكن الأمر نفسه ينطبق في أي مكان على طول الخط، بحيث عند الخروج من الحلقة أيضًا يلزم ضخ 200 مجم / لتر فقط.

في الواقع، يمكن اعتبار هذا بمثابة تأثير مضاعف تدريجيًا - ومن هنا جاء اسم الظاهرة: "مضاعف التيار المعاكس" أو الآلية: مضاعفة التيار المعاكس، ولكن وفقًا لمصطلحات الهندسة الحالية، فإن مضاعفة التيار المعاكس هي أي عملية لا يلزم فيها سوى ضخ طفيف، بسبب الاختلاف الصغير المستمر في التركيز أو الحرارة على طول العملية، مع الارتفاع تدريجيًا إلى أقصى حد لها. ليست هناك حاجة إلى سائل عازل، إذا كان التأثير المطلوب هو تلقي تركيز عالٍ في أنبوب الإخراج. [3]

في الكلى

مخطط تدفق أيونات النيفرون
مخطط تدفق أيونات النيفرون
حلقة هنلي ( كتاب تشريح جراي )

تسمح دائرة السوائل في حلقة هنلي - وهي جزء مهم من الكلى - بالتراكم التدريجي لتركيز البول في الكلى، وذلك باستخدام النقل النشط على النيفرونات الخارجة (الأنابيب التي تحمل السائل في عملية تركيز اليوريا تدريجيًا). تحتاج مضخات النقل النشط فقط إلى التغلب على تدرج ثابت ومنخفض للتركيز، بسبب آلية المضاعف المعاكس. [4]

تنتقل مواد مختلفة من السائل الذي يدخل إلى النيفرونات حتى الخروج من الحلقة (انظر مخطط تدفق النيفرون). يكون تسلسل التدفق على النحو التالي:

  • الجسيم الكلوي : يدخل السائل إلى نظام النيفرون عند محفظة بومان . [5]
  • الأنبوب الملتوي القريب : قد يعيد امتصاص اليوريا في الطرف الهابط السميك . [6] يتم إزالة الماء من النيفرونات بالتناضح ( ويتم ضخ الجلوكوز والأيونات الأخرى بالنقل النشط )، مما يرفع التركيز في النيفرونات تدريجيًا. [7]
  • حلقة هنلي الهابطة : يمر السائل من الطرف الهابط الرقيق إلى الطرف الصاعد السميك. يتم إطلاق الماء باستمرار عن طريق التناضح. [8] [ بحاجة لمصدر ] يحدث تراكم تدريجي للتركيز الأسموزي، حتى يتم الوصول إلى 1200 ميلي أسمول عند طرف الحلقة، ولكن يظل الفرق عبر الغشاء صغيرًا وثابتًا.
على سبيل المثال، يكون السائل في أحد الأقسام داخل الطرف الهابط الرقيق عند 400 ميلي أسمول بينما يكون خارجه عند 401. وفي أسفل الطرف الهابط، يكون التركيز الداخلي 500 بينما يكون خارجه عند 501، وبالتالي يتم الحفاظ على فرق ثابت قدره 1 ميلي أسمول عبر الغشاء بالكامل، على الرغم من أن التركيز داخل وخارج الغشاء يتزايد تدريجيًا. [ بحاجة لمصدر ]
  • حلقة هنلي الصاعدة : بعد طرف الحلقة (أو "الانحناء")، يتدفق السائل في الطرف الصاعد الرقيق . [9] [ بحاجة لمصدر ] يتم ضخ أيونات الملح - الصوديوم Na + والكلوريد Cl − خارج السائل [10] [ بحاجة لمصدر ] مما يؤدي إلى خفض التركيز تدريجيًا في السائل الخارج، ولكن باستخدام آلية مضاعف التيار المعاكس، يتم الضخ دائمًا ضد فرق تناضحي ثابت وصغير.
على سبيل المثال، تضخ المضخات الموجودة في قسم قريب من المنحنى من 1000 ميلي أسمول داخل الطرف الصاعد إلى 1200 ميلي أسمول خارجه، مع 200 ميلي أسمول عبره. تضخ المضخات الموجودة أعلى الطرف الصاعد الرقيق من 400 ميلي أسمول إلى السائل عند 600 ميلي أسمول، لذا مرة أخرى يتم الاحتفاظ بالفرق عند 200 ميلي أسمول من الداخل إلى الخارج، بينما يتناقص التركيز داخل وخارج السائل تدريجيًا مع تقدم تدفق السائل.
يصل السائل في النهاية إلى تركيز منخفض يبلغ 100 ميلي أسمول عند مغادرة الطرف الصاعد الرقيق والمرور عبر الطرف السميك [11]
  • الأنبوب الملتوي البعيد : بمجرد مغادرة حلقة هنلي، يمكن للطرف الصاعد السميك إعادة الامتصاص بشكل اختياري وزيادة التركيز في النيفرونات. [12]
  • القناة الجامعة : تستقبل القناة الجامعة سائلاً يتراوح تركيزه بين 100 ميلي أسمول إذا لم يتم إعادة الامتصاص، إلى 300 أو أكثر إذا تم استخدام إعادة الامتصاص. قد تستمر القناة الجامعة في رفع التركيز إذا لزم الأمر، عن طريق ضخ نفس الأيونات تدريجيًا مثل الأنبوب الملتوي البعيد، باستخدام نفس التدرج مثل الأطراف الصاعدة في حلقة هنلي، والوصول إلى نفس التركيز. [13]
  • الحالب : يخرج البول السائل إلى الحالب .
  • يتم استخدام نفس المبدأ في غسيل الكلى داخل أجهزة الكلى الاصطناعية.

تاريخ

في البداية، تم اقتراح آلية تبادل التيار المعاكس وخصائصها في عام 1951 من قبل البروفيسور فيرنر كون واثنان من طلابه السابقين الذين أطلقوا على الآلية الموجودة في حلقة هنلي في الكلى الثديية اسم مضاعف التيار المعاكس [14] وتم تأكيدها من خلال النتائج المعملية في عام 1958 من قبل البروفيسور كارل دبليو جوتشالك . [15] تم الاعتراف بالنظرية بعد عام واحد بعد أن أظهرت دراسة دقيقة أنه لا يوجد فرق تناضحي تقريبًا بين السوائل على جانبي النيفرونات. [16] عارض هومر سميث ، وهو سلطة معاصرة كبيرة في فسيولوجيا الكلى، نموذج تركيز التيار المعاكس لمدة 8 سنوات، حتى تنازل عن الأرض في عام 1959. [17] ومنذ ذلك الحين، تم العثور على العديد من الآليات المماثلة في الأنظمة البيولوجية، وأبرزها: الشبكة الرائعة في الأسماك.

التبادل الحراري المعاكس في الكائنات الحية

إمداد الدم الشرياني والوريد العميق للذراع البشرية. لا تظهر الأوردة السطحية (تحت الجلد). تلتف الأوردة العميقة حول الشرايين، ويسمح تدفق التيار المعاكس الناتج بتبريد اليد بشكل كبير دون فقدان حرارة الجسم، والتي يتم اختصارها بواسطة تدفق التيار المعاكس. [18] [19]

في الطقس البارد، يقل تدفق الدم إلى أطراف الطيور والثدييات عند التعرض لظروف بيئية باردة، ويعود إلى الجذع عبر الأوردة العميقة التي تقع على طول الشرايين (تشكل الأوردة المرافقة ). [19] [20] [21] يعمل هذا كنظام تبادل تيار معاكس يقصر الدفء من الدم الشرياني مباشرة إلى الدم الوريدي العائد إلى الجذع، مما يتسبب في الحد الأدنى من فقدان الحرارة من الأطراف في الطقس البارد. [18] [19] يتم تضييق أوردة الأطراف تحت الجلد بإحكام، مما يقلل من فقدان الحرارة عبر هذا الطريق، ويجبر الدم العائد من الأطراف على الدخول إلى أنظمة تدفق الدم المعاكس في مراكز الأطراف. تمتلك الطيور والثدييات التي تغمر أطرافها بانتظام في الماء البارد أو الجليدي أنظمة تدفق دم عكسي متطورة بشكل خاص إلى أطرافها، مما يسمح بالتعرض المطول للأطراف للبرد دون فقدان كبير في حرارة الجسم، حتى عندما تكون الأطراف رقيقة مثل الجزء السفلي من الساقين ، أو مشط القدم ، للطائر، على سبيل المثال. [20]

عندما تكون الحيوانات مثل السلاحف الجلدية والدلافين في مياه أكثر برودة والتي لم تتأقلم معها، فإنها تستخدم آلية CCHE هذه لمنع فقدان الحرارة من زعانفها وزعانف ذيلها وزعانفها الظهرية . تتكون أنظمة CCHE هذه من شبكة معقدة من الضفائر الوريدية المحيطة بالشرايين ، أو الأوردة المرافقة، والتي تمر عبر الدهن من أطرافها المعزولة بشكل بسيط والنتوءات الانسيابية الرقيقة. [20] تتكون كل ضفيرة من شريان مركزي يحتوي على دم دافئ من القلب محاط بحزمة من الأوردة تحتوي على دم بارد من سطح الجسم. عندما تتدفق هذه السوائل عبر بعضها البعض، فإنها تخلق تدرجًا حراريًا تنتقل فيه الحرارة وتحتفظ بها داخل الجسم. ينقل الدم الشرياني الدافئ معظم حرارته إلى الدم الوريدي البارد القادم الآن من الخارج. هذا يحافظ على الحرارة عن طريق إعادة تدويرها مرة أخرى إلى قلب الجسم. نظرًا لأن الشرايين تتخلى عن قدر كبير من حرارتها في هذا التبادل، فإن الحرارة المفقودة من خلال الحمل الحراري على السطح المحيطي تكون أقل. [18]

وهناك مثال آخر في أرجل ثعلب القطب الشمالي وهو يمشي على الثلج. فالأقدام باردة بالضرورة، ولكن الدم يمكن أن يدور لجلب العناصر الغذائية إلى الأقدام دون فقدان الكثير من الحرارة من الجسم. ويؤدي قرب الشرايين والأوردة في الساق إلى تبادل الحرارة، بحيث يصبح الدم أكثر برودة مع تدفقه إلى الأسفل، ولا يفقد الكثير من الحرارة في الثلج. ومع تدفق الدم (البارد) مرة أخرى من الأقدام عبر الأوردة، فإنه يلتقط الحرارة من الدم المتدفق في الاتجاه المعاكس، بحيث يعود إلى الجذع في حالة دافئة، مما يسمح للثعلب بالحفاظ على درجة حرارة مريحة، دون فقدانها في الثلج. وهذا النظام فعال للغاية لدرجة أن ثعلب القطب الشمالي لا يبدأ في الارتعاش إلا عندما تنخفض درجة الحرارة إلى -70 درجة مئوية (-94 درجة فهرنهايت).

تبادل التيارات المعاكسة بين الطيور البحرية والصحراوية للحفاظ على المياه

وقد وجد أن الطيور البحرية والصحراوية تمتلك غدة ملحية بالقرب من فتحتي الأنف تعمل على تركيز المحلول الملحي، ثم "تطلقه" لاحقًا إلى البحر، مما يسمح لهذه الطيور بشرب مياه البحر دون الحاجة إلى البحث عن موارد المياه العذبة. كما تمكن الطيور البحرية من إزالة الملح الزائد الذي يدخل الجسم عند الأكل أو السباحة أو الغوص في البحر للحصول على الطعام. ولا تستطيع الكلى إزالة هذه الكميات والتركيزات من الملح. [22] [23]

تم العثور على الغدة المفرزة للملح في الطيور البحرية مثل البجع والطيور النوء والطيور النورسية والطيور البحرية . كما تم العثور عليها في النعام الناميبي والطيور الصحراوية الأخرى، حيث يحدث تراكم تركيز الملح بسبب الجفاف وندرة مياه الشرب.

في الطيور البحرية توجد الغدة الملحية فوق المنقار، وتؤدي إلى قناة رئيسية فوق المنقار، ويتم نفخ الماء من فتحتي أنف صغيرتين على المنقار لتفريغه. تعمل الغدة الملحية بآليتين معاكستين:

أ. نظام استخلاص الملح بآلية مضاعفة عكس التيار، حيث يتم ضخ الملح بنشاط من "الأوردة" الدموية (الأوردة الصغيرة) إلى أنابيب الغدة. وعلى الرغم من أن السائل في الأنابيب يحتوي على تركيز أعلى من الملح من الدم، فإن التدفق يتم ترتيبه في تبادل عكس التيار، بحيث يدخل الدم ذو التركيز العالي من الملح إلى النظام بالقرب من مكان خروج أنابيب الغدة ويتصل بالقناة الرئيسية. وبالتالي، على طول الغدة، لا يوجد سوى منحدر صغير يجب تسلقه، من أجل دفع الملح من الدم إلى السائل المالح من خلال النقل النشط الذي يعمل بواسطة ATP .

ب. يتم ضبط نظام إمداد الغدة بالدم على آلية تبادل التيار المعاكس للحفاظ على التركيز العالي من الملح في دم الغدة، بحيث لا يعود إلى نظام الدم.

تعمل الغدد على إزالة الملح بكفاءة وبالتالي تسمح للطيور بشرب الماء المالح من بيئتها أثناء وجودها على بعد مئات الأميال من الأرض. [24] [25]

التبادل المعاكس في الصناعة والبحث العلمي

تستخدم شركة Hardendale Lime Works في المملكة المتحدة أفران التيار المعاكس للوصول إلى درجات حرارة عالية

كروماتوغرافيا التيار المعاكس هي طريقة فصل تعتمد على التقسيم التفاضلي للمحللات بين سائلين غير قابلين للامتزاج باستخدام التدفق المعاكس أو المتزامن. [26] تطور المصطلح والاختصار الأكثر استخدامًا من توزيع التيار المعاكس لكريج (CCD)، وهو كروماتوغرافيا التيار المعاكس (CCC)، [27] وخاصة عند استخدام أدوات CCC الهيدروديناميكية. مصطلح كروماتوغرافيا التقسيم مرادف إلى حد كبير ويستخدم بشكل أساسي لأجهزة CCC الهيدروستاتيكية.

  • يتم تقطير المواد الكيميائية مثل تلك المستخدمة في تكرير البترول في أبراج أو أعمدة ذات صواني مثقبة. يتصاعد البخار من الكسور ذات الغليان المنخفض إلى الأعلى عبر الفتحات الموجودة في الصواني التي تلامس الكسور ذات الغليان المرتفع المتدفقة إلى الأسفل. يزداد تركيز الكسور ذات الغليان المنخفض في كل صينية أعلى البرج مع "نزعها". يتم سحب الكسور ذات الغليان المنخفض من أعلى البرج ويتم سحب الكسور ذات الغليان المرتفع من أسفله. العملية في الصواني عبارة عن مزيج من نقل الحرارة ونقل الكتلة . يتم توفير الحرارة في الأسفل، والمعروف باسم "إعادة الغليان" ويتم التبريد باستخدام مكثف في الأعلى.
التدفق المعاكس في استخلاص السائل-السائل
تبادل الحرارة في الفرن المعاكس للتيار
  • يمكن تصنيع الجير في أفران تعمل بتيار معاكس مما يسمح للحرارة بالوصول إلى درجات حرارة عالية باستخدام وقود منخفض التكلفة ومنخفض الحرارة. تاريخيًا، تم تطوير هذا من قبل اليابانيين في أنواع معينة من فرن أناجاما . يتم بناء الفرن على مراحل، حيث يتم تمرير الهواء النقي القادم إلى الوقود إلى الأسفل بينما يتم دفع الدخان والحرارة لأعلى وللخارج. لا تخرج الحرارة من الفرن، بل تنتقل مرة أخرى إلى الهواء القادم، وبالتالي تتراكم ببطء حتى تصل إلى 3000 درجة مئوية وأكثر.
فرن دوار عكسي التيار لصناعة الأسمنت
  • يمكن إنشاء الأسمنت باستخدام فرن التيار المعاكس حيث تمر الحرارة في الأسمنت والعادم معًا، في حين يمر تيار الهواء الوارد على طول الاثنين، فيمتص الحرارة ويحتفظ بها داخل الفرن، ليصل في النهاية إلى درجات حرارة عالية.
  • التغويز : عملية إنشاء غاز الميثان وأول أكسيد الكربون من المواد العضوية أو الأحفورية، ويمكن إجراؤها باستخدام مولد غاز ثابت يعمل بتيار معاكس ("تيار صاعد") والذي تم بناؤه بطريقة مماثلة لفرن أناجاما، وبالتالي يجب أن يتحمل ظروفًا أكثر قسوة، ولكنه يحقق كفاءة أفضل.
  • في محطات الطاقة النووية، يجب ألا تحتوي المياه الخارجة من المحطة على أي جزيئات ضئيلة من اليورانيوم. يتم استخدام عملية الترشيح بالتيار المعاكس (CCD) في بعض المنشآت لاستخراج المياه خالية تمامًا من اليورانيوم.
تم تصوير عملية تصريف التيار التبادلي في المستخلصات الطاردة المركزية كمرحلة أولى

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ تم العثور على كل من أنظمة تبادل التيار المعاكس وضرب التيار المعاكس في الكلى. الأخير في حلقة هنلي، الأول في الأوعية المستقيمة
  2. ^ يجب حساب السعة الحرارية النوعية على أساس الكتلة، بمتوسط ​​نطاق درجة الحرارة المعنية. وهذا يتفق مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية
  3. ^ Hsuan Jung Huang, Peixin He, Faulkner Larry R (1986). "مضاعف التيار للاستخدام مع الأقطاب الكهربائية الدقيقة للغاية". الكيمياء التحليلية . 58 (13): 2889–2891. doi :10.1021/ac00126a070.{{cite journal}}:CS1 maint: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( الرابط )
  4. ^ انظر الرسوم المتحركة لمضاعف التيار المعاكس المؤرشفة في 2011-06-06 على موقع Wayback Machine على موقع جامعة كولورادو .
  5. ^ بدءًا من الشريان الوارد ، وهو وعاء دموي يؤدي إلى الكبيبة ، يمر الدم المفلتر إلى النيفرونات في محفظة بومان التي تحيط بالكبيبة. (يغادر الدم الكبيبة في الشريان الصادر ).
  6. ^ يصل السائل من كبسولة بومان إلى الطرف الهابط السميك. يمكن إعادة امتصاص اليوريا في التركيز الأسموزي المنخفض (300 ميلي أسمول ) في نيفرونات الطرف. يتم تثبيط امتصاص اليوريا في الطرف الهابط السميك بواسطة السارتانات ويتم تحفيزه بواسطة اللاكتات والكيتونات .
  7. ^ يخرج الجلوكوز والأحماض الأمينية والأيونات المختلفة والمواد العضوية من الطرف، مما يرفع تركيزها تدريجيًا في النيفرونات. يثبط الدوبامين الإفراز من الطرف الهابط السميك، ويحفزه الأنجيوتنسين الثاني
  8. ^ لا يسمح الغشاء شبه المنفذ للطرف النازل الرقيق بمرور الأيونات أو الجزيئات المذابة الكبيرة
  9. ^ لا يسمح الغشاء الرقيق للطرف الصاعد بالمرور الحر لأي مادة بما في ذلك الماء.
  10. ^ الفوروسيميد يثبط إفراز الملح من الطرف الصاعد الرقيق، بينما يحفز الألدوستيرون الإفراز.
  11. ^ يتم إعادة امتصاص الماء أو السائل ذو التركيز الاسموزي المنخفض للغاية الذي يغادر النيفرونات في الشعيرات الدموية حول الأنابيب ثم يعود إلى الدم.
  12. ^ تتم إعادة الامتصاص وزيادة التركيز عن طريق امتصاص كاتيونات البوتاسيوم (K + ) والهيدروجين (H + ) اختياريا، مع إطلاق الماء واستمرار ضخ الكالسيوم (Ca + ) والملح (أيونات الصوديوم والكلوريد ) . يتم تثبيط التركيز المتكرر عن طريق إفراز أيونات الكالسيوم والملح بواسطة الثيازيدات وتحفيزه بواسطة الهرمون المضاد لإدرار البول والألدوستيرون
  13. ^ يعمل الببتيد الأذيني المدر للصوديوم واليوروديلاتين على تثبيط إفراز الماء والملح والكالسيوم من القناة الجامعة، في حين يعمل الهرمون المضاد لإدرار البول والألدوستيرون على تحفيز ذلك.
  14. ^ نُشرت المحاضرة الأصلية في عام 1951 باللغة الألمانية. ووفقًا لكتاب عن العلماء اليهود في عهد الرايخ، فقد وضع كون هذه الآلية ودرسها بالفعل في أوائل الأربعينيات. وقد تأكد هذا في عام 2001 في ترجمة المحاضرة الأصلية المنشورة مع ملاحظات البروفيسور بارت هارجيتاي، الذي كان آنذاك أحد مساعدي الطلاب السابقين. يقول هارجيتاي: قبل الاستقرار في بازل، قام كون ببعض الأعمال الأساسية للغاية في كيل، حيث قام بفصل النظائر في جهاز الطرد المركزي. وقد تسبب هذا في انبهاره بتأثير التيارات المعاكسة في مضاعفة تأثير واحد صغير جدًا إلى فصلات كبيرة. (موقع مجلة الجمعية الأمريكية لأمراض الكلى)
  15. ^ Gottschalk, CW ; Mylle, M. (1958), "Evidence that the mammalian nephron functions as a countercurrent multiplier system", Science , 128 (3324): 594, Bibcode :1958Sci...128..594G, doi :10.1126/science.128.3324.594, PMID  13580223, S2CID  44770468.
  16. ^ Gottschalk, CW ; Mylle, M. (1959), "دراسة الوخز الدقيق لآلية تركيز البول عند الثدييات: دليل على فرضية التيار المعاكس"، المجلة الأمريكية لعلم وظائف الأعضاء ، 196 (4): 927-936، doi :10.1152/ajplegacy.1959.196.4.927، PMID  13637248انظر أيضًا تاريخ آلية تركيز البول، مقال في مجلة "الكلى" - مجلة الجمعية الدولية لأمراض الكلى ، حيث يشير البروفيسور جوتشالك إلى المناقشة الساخنة قبل قبول نظرية عمل المضاعف المعاكس للتيار للكلى.
  17. ^ سميث، هومر دبليو، مصير الصوديوم والماء في الأنابيب الكلوية، مجلة أكاديمية نيويورك للطب 35: 293-316، 1959.
  18. ^ abc Schmidt-Nielsen, Knut (1981). "Countercurrent systems in animals". Scientific American . 244 (مايو): 118–128. Bibcode :1981SciAm.244e.118S. doi :10.1038/scientificamerican0581-118. PMID  7233149.
  19. ^ abc Williams, Peter L.; Warwick, Roger; Dyson, Mary; Bannister, Lawrence H. (1989). Gray's Anatomy (الطبعة السابعة والثلاثون). إدنبرة: تشيرشل ليفينجستون. ص 691-692، 791، 10011-10012. ISBN 0443-041776.
  20. ^ abc Scholander, PF (1957). "الشبكة الرائعة". Scientific American . 196 (أبريل): 96–110. Bibcode :1957SciAm.196d..96S. doi :10.1038/scientificamerican0457-96.
  21. ^ جيلروي، آن م.؛ ماكفيرسون، بريان ر.؛ روس، لورانس م. (2008). أطلس التشريح . شتوتغارت: دار نشر ثيمي الطبية. ص 318، 349. رقم ISBN 978-1-60406-062-1.
  22. ^ شميت نيلسن، كنوت؛ فانج، راجنار (يوليو 1958). "وظيفة الغدة الملحية في البجع البني". أوك . 75 (3): 282-289. doi : 10.2307/4081974 . ISSN  0004-8038. JSTOR  4081974.
  23. ^ شميدت نيلسن، كنوت (1959). "الغدد الملحية". ساينتفك أمريكان . 200 (1): 109-119. رمز Bibcode :1959SciAm.200a.109S. doi :10.1038/scientificamerican0159-109. ISSN  0036-8733. JSTOR  24944892. PMID  13624738.
  24. ^ بروكتور، نوبل س.؛ لينش، باتريك ج. (1993). دليل علم الطيور . مطبعة جامعة ييل.
  25. ^ ريتشيسون، غاري. "التنظيم الاسموزي للطيور". مؤرشف من الأصل في 19 ديسمبر 2019. تم الاسترجاع 16 أبريل 2011 .
  26. ^ "TheLiquidPhase". مؤرشف من الأصل في 5 سبتمبر 2008. اطلع عليه بتاريخ 16 أبريل 2011 .
  27. ^ "الكروماتوغرافيا العكسية". جامعة إلينوي في شيكاغو . تم الاسترجاع في 16 أبريل 2011 .
  28. ^ بنزر سيمور (1967). "الطفرات السلوكية لذباب الفاكهة المعزولة عن طريق التوزيع المعاكس للتيار" (PDF) . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية . 58 (3): 1112-1119. رمز Bibcode :1967PNAS...58.1112B. doi : 10.1073 /pnas.58.3.1112 . PMC 335755. PMID  16578662. 
  29. ^ Dusenbery David B (1973). "Countercurrent isolation: A new method for study behavior of small aquatic objects". Proceedings of the National Academy of Sciences USA . 70 (5): 1349–1352. Bibcode :1973PNAS...70.1349D. doi : 10.1073/pnas.70.5.1349 . PMC 433494. PMID  4514305 . 
  30. ^ Dusenbery David B., Sheridan Robert E., Russell Richard L. (1975). "الطفرات المعيبة في التاكسي الكيميائي للدودة الخيطية Caenorhabditis elegans". علم الوراثة . 80 (2): 297–309. doi :10.1093/genetics/80.2.297. PMC 1213328. PMID 1132687  . {{cite journal}}:CS1 maint: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( الرابط )
  • رسوم متحركة لمضاعف التيار المعاكس من جامعة كولورادو.
  • بحث حول استخدام الفيل البحري لتبادل الحرارة بالتيار المعاكس لمنع الحرارة من مغادرة أجسامها أثناء الزفير أثناء السبات .
  • براءة اختراع لقناع ثلج مزود بوحدة تبادل تيار معاكس قابلة للإزالة والتي تمنع الدفء من مغادرة القناع عند الزفير.
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=التبادل_المعاكس&oldid=1234500368"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate