علم القياس النفسي

درجة حرارة البصيلة الجافة هي درجة الحرارة التي يُشير إليها مقياس حرارة مُعرَّض للهواء في مكانٍ لا تصله أشعة الشمس المباشرة. يُضاف مصطلح "البصيلة الجافة" عادةً إلى كلمة "درجة الحرارة" لتمييزها عن درجة حرارة البصيلة الرطبة ودرجة حرارة نقطة الندى. في علم الأرصاد الجوية وعلم قياس الرطوبة، تُشير كلمة "درجة الحرارة" وحدها، دون أي بادئة، عادةً إلى درجة حرارة البصيلة الجافة. من الناحية الفنية، هي درجة الحرارة التي يُسجلها مقياس حرارة البصيلة الجافة في جهاز قياس الرطوبة. يُشير الاسم إلى أن بصلة الاستشعار أو العنصر المُستشعر جاف بالفعل. تُقدم المنظمة العالمية للأرصاد الجوية فصلاً من 23 صفحة حول قياس درجة الحرارة. ^{[ 5 ]}

درجة حرارة البصيلة الرطبة هي خاصية ديناميكية حرارية لمزيج من الهواء وبخار الماء. وغالبًا ما توفر القيمة التي يشير إليها مقياس حرارة البصيلة الرطبة تقريبًا كافيًا لدرجة حرارة البصيلة الرطبة الديناميكية الحرارية.

تعتمد دقة مقياس الحرارة ذي البصيلة الرطبة البسيط على سرعة مرور الهواء فوق البصيلة ومدى حماية المقياس من حرارة الإشعاع المحيط. تُعدّ السرعات التي تصل إلى 5000  قدم/دقيقة (حوالي 60  ميلاً في الساعة، 25.4  متر/ثانية) مثالية، ولكن قد يكون تحريك المقياس بهذه السرعة خطيرًا. قد تحدث أخطاء تصل إلى 15% إذا كانت حركة الهواء بطيئة جدًا أو إذا كانت هناك حرارة إشعاعية عالية جدًا (من ضوء الشمس، على سبيل المثال).

 تُعرف درجة حرارة البصيلة الرطبة التي يتم قياسها مع تحرك الهواء بسرعة حوالي 1-2 م/ث بدرجة حرارة الشاشة ، في حين أن درجة الحرارة التي يتم قياسها مع تحرك الهواء بسرعة حوالي 3.5  م/ث أو أكثر تُعرف بدرجة حرارة المقلاع .

مقياس الرطوبة هو جهاز يتضمن مقياس حرارة جاف ومقياس حرارة رطب. يتطلب مقياس الرطوبة ذو المقبض تشغيلًا يدويًا لتوليد تدفق الهواء فوق البصيلات، بينما يحتوي مقياس الرطوبة الكهربائي على مروحة لهذه الوظيفة. بمعرفة كل من درجة حرارة البصيلة الجافة (DBT) ودرجة حرارة البصيلة الرطبة (WBT)، يمكن تحديد الرطوبة النسبية (RH) من مخطط قياس الرطوبة المناسب لضغط الهواء.

درجة حرارة تشبع الرطوبة الموجودة في عينة الهواء، ويمكن تعريفها أيضًا بأنها درجة الحرارة التي يتحول عندها بخار الماء إلى سائل (تكثف). عادةً ما يُمثل المستوى الذي يتحول عنده بخار الماء إلى سائل قاعدة السحابة في الغلاف الجوي، ولذلك يُسمى مستوى التكثف. لذا، تُسمى قيمة درجة الحرارة التي تسمح بحدوث هذه العملية (التكثف) بدرجة حرارة نقطة الندى. تعريف مبسط لها هو درجة الحرارة التي يتحول عندها بخار الماء إلى "ندى" (شامونودا زامبوكو، 2012).

وهو مشابه للمحتوى الحراري النوعي لمادة نقية. في علم قياس الرطوبة، يحدد هذا المصطلح إجمالي الطاقة لكل من الهواء الجاف وبخار الماء لكل كيلوغرام من الهواء الجاف.

يشبه ذلك الحجم النوعي لمادة نقية. ومع ذلك، في علم القياس النفسي، يحدد المصطلح الحجم الكلي لكل من الهواء الجاف وبخار الماء لكل وحدة كتلة من الهواء الجاف.

النسبة السيكرومترية هي نسبة معامل انتقال الحرارة إلى حاصل ضرب معامل انتقال الكتلة والحرارة الرطبة على سطح مبلل. ويمكن حسابها باستخدام المعادلة التالية: ^{[ 7 ] [ 8 ]}

${\displaystyle r={\frac {h_{c}}{k_{y}c_{s}}}\,}$

أين:

${\displaystyle r}$ = نسبة سيكرومترية، بدون أبعاد

${\displaystyle h_{c}}$^{= معامل انتقال الحرارة} بالحمل، واط ^/ م² كلفن⁻¹

${\displaystyle k_{y}}$= معامل انتقال الكتلة بالحمل الحراري، كجم م ⁻² ث ⁻¹

${\displaystyle c_{s}}$= الحرارة الرطبة، جول/ ^{كجم /} كلفن

تُعد النسبة السيكرومترية خاصية مهمة في مجال السيكرومترية، حيث تربط الرطوبة المطلقة ورطوبة التشبع بالفرق بين درجة حرارة البصيلة الجافة ودرجة حرارة التشبع الأديباتية .

تُعدّ مخاليط الهواء وبخار الماء من أكثر الأنظمة شيوعًا في علم قياس الرطوبة. تبلغ نسبة الرطوبة في هذه المخاليط ما يقارب الواحد، مما يعني أن الفرق بين درجة حرارة التشبع الأديباتية ودرجة حرارة البصيلة الرطبة ضئيل. تُسهّل هذه الخاصية حسابات التجفيف والتبريد التي تُجرى عادةً باستخدام العلاقات الكيميائية في قياس الرطوبة.

الحرارة الرطبة هي الحرارة النوعية للهواء الرطب عند ضغط ثابت ، لكل وحدة كتلة من الهواء الجاف. ^{[ 9 ]} الحرارة الرطبة هي كمية الحرارة اللازمة لتغيير درجة حرارة وحدة كتلة من خليط بخار الماء والهواء بمقدار  درجة مئوية واحدة.

تعتمد العديد من الخصائص السيكرومترية على مفهوم الضغط :

• ضغط بخار الماء؛
• الضغط الجوي في موقع العينة.

المخطط السيكرومتري هو رسم بياني للمعاملات الديناميكية الحرارية للهواء الرطب عند ضغط ثابت، يُعادل غالبًا ارتفاعًا نسبيًا عن مستوى سطح البحر. وقد ابتكر ويليس كارير المخطط السيكرومتري على نمط ASHRAE ، الموضح هنا، عام 1904. ^{[ 11 ]} وهو يوضح هذه المعاملات، وبالتالي يُعد معادلة بيانية للحالة . المعاملات هي:

• درجة حرارة الهواء الجاف ( DBT ) هي درجة حرارة عينة من الهواء، كما تُقاس باستخدام مقياس حرارة عادي. وعادةً ما تُمثل على المحور الأفقي (الفينية) في الرسم البياني. وحدات النظام الدولي للوحدات (SI) لدرجة الحرارة هي الكلفن أو الدرجات المئوية ؛ ومن الوحدات الأخرى الدرجات الفهرنهايتية ودرجات الرانكين .
• درجة حرارة البصيلة الرطبة ( WBT ) هي درجة حرارة عينة هواء بعد مرورها بعملية تشبع مثالية ثابتة الضغط، أي بعد مرور الهواء فوق سطح كبير من الماء السائل في قناة معزولة. عمليًا، تُقاس هذه الدرجة باستخدام مقياس حرارة يُغطى مستشعره بجورب مبلل يتبخر في تيار سريع من هواء العينة (انظر مقياس الرطوبة ). عندما تكون عينة الهواء مشبعة مسبقًا بالماء، ستكون قراءة WBT مماثلة لقراءة DBT. ميل خطوط WBT الثابتة هو نسبة حرارة تبخر الماء إلى الحرارة النوعية للهواء الجاف، وقيمته تقريبًا 0.4.
• درجة حرارة نقطة الندى هي درجة الحرارة التي تصل عندها عينة هواء رطبة، تحت نفس الضغط، إلى حالة تشبع ببخار الماء. عند هذه النقطة، يؤدي فقدان المزيد من الحرارة إلى تكثف بخار الماء إلى ضباب سائل، أو إلى صقيع صلب إذا كانت درجة الحرارة أقل من درجة التجمد . تُقاس درجة حرارة نقطة الندى بسهولة وتوفر معلومات مفيدة، ولكنها لا تُعتبر عادةً خاصية مستقلة لعينة الهواء، لأنها تُكرر المعلومات المتاحة من خلال خصائص الرطوبة الأخرى ومنحنى التشبع.
• الرطوبة النسبية هي نسبة كمية بخار الماء الموجودة إلى كمية بخار الماء التي ستكون موجودة عند التشبع تحت نفس درجة الحرارة والضغط. الرطوبة النسبية كمية لا بُعدية، وعادةً ما تُعبّر عنها كنسبة مئوية. تعكس خطوط الرطوبة النسبية الثابتة خصائص الهواء والماء الفيزيائية، ويتم تحديدها من خلال القياسات التجريبية. إن فكرة أن الهواء "يحتفظ" بالرطوبة، أو أن الرطوبة "تذوب" في الهواء الجاف وتُشبع المحلول بنسبة معينة، هي فكرة خاطئة (وإن كانت شائعة)؛ راجع الرطوبة النسبية لمزيد من التفاصيل.
• نسبة الرطوبة هي نسبة كتلة بخار الماء إلى كتلة وحدة الهواء الجاف في ظروف معينة (درجة حرارة الهواء الجاف، درجة حرارة الهواء الرطب، درجة حرارة الهواء الجاف، الرطوبة النسبية، إلخ). تُعرف أيضًا بمحتوى الرطوبة أو نسبة الخلط. وعادةً ما تُمثل على المحور الرأسي (المحور الإحداثي) في الرسم البياني. لكل درجة حرارة هواء جاف معينة، توجد نسبة رطوبة محددة تكون عندها عينة الهواء برطوبة نسبية 100%: تعكس هذه العلاقة خصائص الماء والهواء الفيزيائية، ويجب تحديدها بالقياس. تُعبر نسبة الرطوبة غير البعدية عادةً عن غرامات الماء لكل كيلوغرام من الهواء الجاف، أو حبيبات الماء لكل رطل من الهواء (7000 حبة تساوي رطلًا واحدًا).
• المحتوى الحراري النوعي ، ويرمز له بـ h ، هو مجموع الطاقة الحرارية الداخلية للهواء الرطب، بما في ذلك حرارة الهواء وبخار الماء الموجود فيه. ويُسمى أيضًا المحتوى الحراري لكل وحدة كتلة. في تقريب الغازات المثالية، تكون خطوط المحتوى الحراري الثابت موازية لخطوط درجة حرارة الهواء الرطب الثابتة. يُقاس المحتوى الحراري بوحدة الجول لكل كيلوغرام من الهواء (في النظام الدولي للوحدات)، أو بوحدة حرارية بريطانية لكل رطل من الهواء الجاف.
• الحجم النوعي هو حجم الخليط (الهواء الجاف بالإضافة إلى بخار الماء) الذي يحتوي على وحدة كتلة واحدة من "الهواء الجاف". وحدات النظام الدولي للوحدات هي المتر المكعب لكل كيلوغرام من الهواء الجاف؛ أما الوحدات الأخرى فهي القدم المكعب لكل رطل من الهواء الجاف. عادةً ما يُخلط بين مقلوب الحجم النوعي وكثافة الخليط. ^{[ 12 ]} ومع ذلك، للحصول على الكثافة الفعلية للخليط (${\displaystyle \rho }$) يجب ضرب مقلوب الحجم النوعي في واحد زائد قيمة نسبة الرطوبة عند النقطة محل الاهتمام: ^{[ 13 ]}

${\displaystyle \rho ={\frac {M_{da}+M_{w}}{V}}\,=\left({\frac {1}{v}}\right)(1+W)}$

أين:

${\displaystyle M_{da}}$ = كتلة الهواء الجاف

${\displaystyle M_{w}}$  = كتلة بخار الماء

${\displaystyle V}$      = الحجم الكلي

${\displaystyle v}$       ^{= الحجم} النوعي للهواء الرطب، ^م³ كجم⁻¹

${\displaystyle W={\frac {M_{w}}{M_{da}}}\,}$= نسبة الرطوبة

يُتيح مخطط الرطوبة تحديد جميع خصائص الهواء الرطب من خلال ثلاثة معايير مستقلة، أحدها الضغط. ويمكن نمذجة تغيرات الحالة ، مثل اختلاط تيارين هوائيين، بسهولة وبشكل بياني باستخدام مخطط الرطوبة المناسب لضغط الهواء أو ارتفاع الموقع بالنسبة لمستوى سطح البحر. أما بالنسبة للمواقع التي لا يزيد  ارتفاعها عن 600 متر (2000 قدم)، فمن الشائع استخدام مخطط الرطوبة الخاص بمستوى سطح البحر.

في مخطط ω - t ، تظهر درجة حرارة الهواء الجاف ( t ) على المحور الأفقي (المحور السيني)، بينما تظهر نسبة الرطوبة ( ω ) على المحور الرأسي (المحور الصادي). يكون المخطط صالحًا لضغط هواء معين (أو ارتفاع معين فوق مستوى سطح البحر). من أي قيمتين مستقلتين من بين المعلمات الست: درجة حرارة الهواء الجاف، ودرجة حرارة الهواء الرطب، والرطوبة النسبية، ونسبة الرطوبة، والمحتوى الحراري النوعي، والحجم النوعي، يمكن تحديد جميع المعلمات الأخرى.${\displaystyle \left({6 \atop 2}\right)=15}$التوليفات الممكنة للمعلمات المستقلة والمشتقة.

• درجة حرارة الهواء الجاف : تُرسَم هذه الخطوط بشكل مستقيم، وليست متوازية دائمًا، ومائلة قليلًا عن الوضع الرأسي. هذا هو المحور t ، المحور الأفقي (الفواصل). يُمثّل كل خط درجة حرارة ثابتة.

• درجة حرارة نقطة الندى : من نقطة الحالة، اتبع الخط الأفقي لنسبة الرطوبة الثابتة حتى نقطة تقاطع منحنى الرطوبة النسبية 100%، والمعروفة أيضًا بمنحنى التشبع . درجة حرارة نقطة الندى تساوي درجة حرارة البصيلة الجافة أو الرطبة عند التشبع الكامل.

• درجة حرارة البصيلة الرطبة : هذه الخطوط مائلة وتختلف قليلاً عن خطوط المحتوى الحراري. وهي مستقيمة تماماً ولكنها ليست متوازية تماماً. تتقاطع هذه الخطوط مع منحنى التشبع عند نقطة درجة حرارة البصيلة الرطبة.

• الرطوبة النسبية : تظهر هذه الخطوط القطعية بفواصل قدرها 10%. منحنى التشبع عند رطوبة نسبية 100%، بينما يكون الهواء الجاف عند رطوبة نسبية 0%.

• نسبة الرطوبة : تمثل هذه الخطوط الأفقية في الرسم البياني. تُعبر نسبة الرطوبة عادةً عن كتلة الرطوبة لكل كتلة من الهواء الجاف (بالأرطال أو الكيلوغرامات من الرطوبة لكل رطل أو كيلوغرام من الهواء الجاف، على التوالي). يتراوح النطاق من 0 للهواء الجاف إلى 0.03 (رطل/رطل) على المحور الرأسي (ω ) في الرسم البياني.

• المحتوى الحراري النوعي : هي خطوط مائلة مرسومة قطريًا من اليسار إلى اليمين عبر المخطط، وهي متوازية مع بعضها البعض. وهي ليست متوازية مع خطوط درجة حرارة البصيلة الرطبة.

• الحجم النوعي: هذه مجموعة من الخطوط المستقيمة المتباعدة بالتساوي والتي تكاد تكون متوازية.

المنطقة الواقعة فوق منحنى التشبع هي منطقة ثنائية الطور تمثل خليطًا من الهواء الرطب المشبع والماء السائل، في حالة توازن حراري.

يحتوي المنقلة الموجودة في أعلى يسار الرسم البياني على مقياسين. يمثل المقياس الداخلي نسبة الحرارة المحسوسة إلى الحرارة الكلية (SHF). أما المقياس الخارجي فيمثل نسبة فرق المحتوى الحراري إلى فرق الرطوبة. تُستخدم هذه النسبة لتحديد ميل خط الحالة بين عمليتين. يمثل المكون الأفقي لخط الحالة التغير في الحرارة المحسوسة، بينما يمثل المكون الرأسي التغير في الحرارة الكامنة. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

تتوفر المخططات السيكرومترية ^{[ 17 ]} بوحدات النظام الدولي للوحدات (SI) ووحدات النظام الأمريكي/الإمبراطوري (IP). كما تتوفر أيضًا بنطاقات درجات حرارة منخفضة وعالية، ولضغوط مختلفة.

• تحديد الرطوبة النسبية: يمكن تحديد نسبة الرطوبة النسبية عند نقطة تقاطع خط درجة حرارة الهواء الجاف العمودي مع خط درجة حرارة الهواء الرطب المائل قطريًا. النظام المتري (SI): باستخدام درجة حرارة هواء جاف 25  درجة مئوية ودرجة حرارة هواء رطب 20  درجة مئوية، تكون قراءة الرطوبة النسبية حوالي 63.5%. النظام الأمريكي/الإمبراطوري (IP): باستخدام درجة حرارة هواء جاف 77  درجة فهرنهايت ودرجة حرارة هواء رطب 68  درجة فهرنهايت، تكون قراءة الرطوبة النسبية حوالي 63.5%. في هذا المثال، تبلغ نسبة الرطوبة 0.0126  كيلوغرام من الماء لكل كيلوغرام من الهواء الجاف.
• تحديد تأثير تغير درجة الحرارة على الرطوبة النسبية: بالنسبة للهواء ذي التركيب المائي أو نسبة الرطوبة الثابتة ، تُحسب الرطوبة النسبية الابتدائية من نقطة تقاطع خطي درجة حرارة البصيلة الرطبة والجافة. باستخدام الظروف من المثال السابق، يمكن إيجاد الرطوبة النسبية عند درجات حرارة بصيلات جافة مختلفة على طول خط نسبة الرطوبة الأفقي البالغ 0.0126، إما بالكيلوغرام من الماء لكل كيلوغرام من الهواء الجاف أو بالرطل من الماء لكل رطل من الهواء الجاف.

يتمثل أحد الأشكال الشائعة لهذه المسألة في تحديد الرطوبة النهائية للهواء الخارج من ملف تبخير مكيف الهواء بعد تسخينه إلى درجة حرارة أعلى. لنفترض أن درجة حرارة الهواء الخارج من الملف هي 10 درجات مئوية (50 درجة فهرنهايت) ويتم تسخينه إلى درجة حرارة الغرفة (دون مزجه بهواء الغرفة)، والتي تُحسب بتتبع نسبة الرطوبة الأفقية من خط نقطة الندى أو خط التشبع إلى خط درجة حرارة الهواء الجاف للغرفة، ثم قراءة الرطوبة النسبية. في الممارسة العملية، يُخلط الهواء المُكيَّف مع هواء الغرفة الذي يتسرب إليه الهواء الخارجي.

• تحديد كمية الماء المراد إزالتها أو إضافتها في خفض أو رفع الرطوبة النسبية: هذا هو الفرق في نسبة الرطوبة بين الظروف الأولية والنهائية مضروبًا في وزن الهواء الجاف.

يُعد مخطط "مولييه i - x " (نسبة خلط المحتوى الحراري والرطوبة)، الذي طوره ريتشارد مولييه عام 1923، ^{[ 18 ]} مخططًا سيكرومتريًا بديلًا، يفضله العديد من المستخدمين في ألمانيا والنمسا وسويسرا وهولندا وبلجيكا وفرنسا والدول الاسكندنافية وأوروبا الشرقية وروسيا. ^{[ 19 ]}

تتطابق بيانات معلمات القياس النفسي الأساسية لكل من مخطط القياس النفسي ومخطط مولييه. للوهلة الأولى، يبدو التشابه بينهما ضئيلاً، ولكن عند تدوير المخطط بزاوية 90 درجة وعرضه في المرآة، يتضح هذا التشابه. إحداثيات مخطط مولييه هي المحتوى الحراري ونسبة الرطوبة. إحداثية المحتوى الحراري منحرفة ، بينما خطوط المحتوى الحراري الثابت متوازية ومتساوية التباعد. تستخدم مخططات القياس النفسي الصادرة عن جمعية مهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء الأمريكية (ASHRAE) منذ عام 1961 إحداثيات رسم مماثلة. تستخدم بعض مخططات القياس النفسي إحداثيات درجة حرارة الهواء الجاف ونسبة الرطوبة .