مخطط الضغط والحجم

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

يُستخدم مخطط الضغط والحجم (أو مخطط PV ، أو حلقة الضغط والحجم ) [ 1 ] لوصف التغيرات المقابلة في الحجم والضغط في نظام ما. وهو شائع الاستخدام في الديناميكا الحرارية ، وعلم وظائف القلب والأوعية الدموية ، وعلم وظائف الجهاز التنفسي .

تم تطوير مخططات PV، التي كانت تسمى في الأصل مخططات المؤشر ، في القرن الثامن عشر كأدوات لفهم كفاءة المحركات البخارية .

وصف

يُظهر مخطط الضغط والحجم (PV) تغير الضغط ( P) بالنسبة للحجم (V) لعملية أو عمليات معينة . في الديناميكا الحرارية، تُشكل مجموعة العمليات دورة ، بحيث لا يحدث أي تغيير صافٍ في حالة النظام عند اكتمال الدورة ؛ أي أن الجهاز يعود إلى الضغط والحجم الابتدائيين.

يوضح الشكل خصائص مخطط الضغط والحجم المثالي. ويُظهر سلسلة من الحالات المرقمة (من 1 إلى 4). ويتكون المسار بين كل حالة من عملية ما (من أ إلى د) تُغير الضغط أو الحجم في النظام (أو كليهما).

مخطط الطاقة الشمسية الكهروضوئية المعمم
مخطط الطاقة الشمسية الكهروضوئية المعمم

من السمات الرئيسية لهذا الرسم التخطيطي إمكانية قياس كمية الطاقة المستهلكة أو المستلمة من النظام كشغل ، لأن صافي الشغل يُمثَّل بالمساحة المحصورة بين الخطوط الأربعة. في الشكل، تُنتج العمليات 1-2-3 شغلًا، بينما تتطلب العمليات من 3-4-1 طاقة أقل للعودة إلى الوضع/الحالة الابتدائية؛ لذا فإن صافي الشغل هو الفرق بينهما. هذا الشكل مُبسَّط للغاية، حيث أن جميع الخطوط مستقيمة والزوايا قائمة. سيُظهر الرسم التخطيطي الذي يُبين تغيرات الضغط والحجم في جهاز حقيقي شكلًا أكثر تعقيدًا يُحيط بدورة العمل. ( انظر قسم التطبيقات ). 

تاريخ

مخطط مؤشر وات

طُوِّر مخطط الضغط والحجم، الذي كان يُسمى آنذاك مخطط المؤشر، عام ١٧٩٦ على يد جيمس وات وموظفه جون ساذرن . [ ٢ ] كان الحجم يُقاس بواسطة صفيحة تتحرك مع المكبس، بينما يُقاس الضغط بواسطة مقياس ضغط يتحرك مؤشره بزاوية قائمة على المكبس. استُخدم قلم رصاص لرسم المخطط. استخدم وات هذا المخطط لإجراء تحسينات جذرية على أداء المحرك البخاري.

التطبيقات

الديناميكا الحرارية

مخطط مؤشر لقاطرة بخارية
مخطط مؤشر لقاطرة بخارية

[ 3 ] على وجه التحديد، يسجل الرسم البيانيضغطالبخار مقابل حجمه فيأسطوانة، خلالدورة حركةالمكبسالشغلالمبذول، وبالتالي يُمكنه توفير مقياس للطاقة التي ينتجها المحرك. [ 4 ]

لحساب الشغل المبذول من قِبل النظام بدقة، من الضروري حساب تكامل الضغط بالنسبة للحجم. ويمكن حساب ذلك بسهولة باستخدام مخطط الضغط والحجم، حيث إنه ببساطة المساحة المحصورة داخل الدورة.

لاحظ أنه في بعض الحالات سيتم رسم الحجم المحدد على المحور السيني بدلاً من الحجم، وفي هذه الحالة تمثل المساحة تحت المنحنى العمل لكل وحدة كتلة من سائل التشغيل (أي جول/كجم).

الدواء

في علم وظائف القلب والأوعية الدموية ، يُستخدم هذا المخطط غالبًا على البطين الأيسر ، ويمكن ربطه بأحداث محددة من دورة القلب . تُستخدم دراسات حلقة الضغط والحجم على نطاق واسع في البحوث الأساسية والاختبارات ما قبل السريرية ، لتوصيف أداء القلب السليم في ظل ظروف مختلفة (تأثير الأدوية، الأمراض، توصيف سلالات الفئران ).

تتلخص سلسلة الأحداث التي تحدث في كل دورة قلبية فيما يلي. يوضح الشكل الأيسر منحنى الضغط والحجم من تجربة حقيقية؛ وتشير الأحرف إلى النقاط.

  • النقطة A هي نقطة نهاية الانبساط ؛ وهي النقطة التي يبدأ عندها الانقباض. يبدأ الضغط بالارتفاع، ويصبح أعلى بسرعة من ضغط الأذين، فيُغلق الصمام التاجي. ولأن الضغط يكون أقل من ضغط الأبهر، يُغلق الصمام الأبهري أيضًا.
  • الجزء AB هو مرحلة الانقباض. وبما أن الصمامين التاجي والأبهري مغلقان، فإن الحجم ثابت. ولهذا السبب، تُسمى هذه المرحلة بالانقباض متساوي الحجم.
  • عند النقطة B ، يصبح الضغط أعلى من ضغط الأبهر ويفتح صمام الأبهر، مما يؤدي إلى بدء عملية القذف.
  • المرحلة الثانية (BC) هي مرحلة القذف، حيث ينخفض ​​حجم الدم. في نهاية هذه المرحلة، ينخفض ​​الضغط مرة أخرى ويصبح أقل من ضغط الأبهر. ثم ينغلق الصمام الأبهري.
  • النقطة ج هي نقطة نهاية الانقباض .
  • يمثل الجزء CD مرحلة الاسترخاء متساوي الحجم. خلال هذه المرحلة، يستمر الضغط في الانخفاض. يُغلق كل من الصمام التاجي والصمام الأبهري مرة أخرى، لذا يظل الحجم ثابتًا.
  • عند النقطة D ينخفض ​​الضغط إلى ما دون ضغط الأذين ويفتح الصمام التاجي، مما يؤدي إلى بدء امتلاء البطين.
  • DA هي فترة الامتلاء الانبساطي . يتدفق الدم من الأذين الأيسر إلى البطين الأيسر. ويكمل انقباض الأذين امتلاء البطين.

كما هو واضح، تشكل حلقة الخلايا الكهروضوئية شكلاً مستطيلاً تقريباً، وتتشكل كل حلقة في اتجاه عكس عقارب الساعة.

يمكن استخلاص معلومات مفيدة للغاية من خلال فحص وتحليل الحلقات الفردية أو سلسلة من الحلقات، على سبيل المثال:

راجع الروابط الخارجية للحصول على تمثيل أكثر دقة.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ نوسيك، توماس م. "القسم 3/3ch5/s3ch5_16" . أساسيات علم وظائف الأعضاء البشرية . مؤرشف من الأصل في 24-03-2016.
  2. ↑ بروس ج. هانت (2010) السعي وراء القوة والنور ، صفحة 13، مطبعة جامعة جونز هوبكنز، رقم ISBN 0-8018-9359-3
  3. ↑ والتر، جون (2008). "مؤشر المحرك" (ملف PDF) . الصفحات 25-26 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 10-03-2012. 
  4. ↑ ريتشارد إل. هيلز وإيه جيه بيسي (يناير 1972) "قياس الطاقة في مصانع النسيج التي تعمل بالبخار في وقت مبكر"، التكنولوجيا والثقافة ، المجلد 13، العدد 1، الصفحات 25-43.
  5. ↑ "مخطط على موقع uc.edu" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-06-2008 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12-12-2006 .
  6. ↑ خلل انقباضي

فهرس

  • كاردويل، دي إس إل (1971). من وات إلى كلاوزيوس: نشأة الديناميكا الحرارية في العصر الصناعي المبكر . هاينمان: لندن. ص 79-81 . ISBN  0-435-54150-1.
  • ميلر، د.ب. (2011). "القضية الغامضة لمؤشر البخار "1785" لجيمس وات: تزوير أم حكاية شعبية في تاريخ أداة؟". المجلة الدولية لتاريخ الهندسة والتكنولوجيا . 81 : 129-150 . doi : 10.1179/175812110x12869022260231 . S2CID 109538193 . 
  • بيسي، أ. ج. وفيشر، س. ج. (1967) "دانيال برنولي والحيوية الكامنة للهواء المضغوط"، المجلة البريطانية لتاريخ العلوم 3 (4)، ص  388-392، doi : 10.1017/S0007087400002934
  • هيئة النقل البريطانية (1957)، دليل مشغلي قاطرات البخار للسكك الحديدية ، لندن  : هيئة النقل البريطانية، ص  81، (نسخة طبق الأصل منشورة بواسطة إيان آلان (1977)، رقم ISBN 0-7110-0628-8)