محول النفاذية
محول النفاذية
حوّل بين 4 أنواع مميزة من وحدات النفاذية بدقة علمية. النفاذية المغناطيسية (H/m)، ونفاذية السوائل (darcy)، ونفاذية الغاز (barrer)، ونفاذية البخار (perm) تقيس خصائص فيزيائية مختلفة جوهريًا ولا يمكن تحويلها بين الأنواع.
ما هي النفاذية؟
تقيس النفاذية مدى سهولة مرور شيء ما عبر مادة، لكن هذا التعريف البسيط يخفي حقيقة بالغة الأهمية: هناك أربعة أنواع مختلفة تمامًا من النفاذية في الفيزياء والهندسة، كل منها يقيس كميات فيزيائية مختلفة.
الأنواع الأربعة للنفاذية
النفاذية المغناطيسية (μ)
تقيس مدى سهولة مرور التدفق المغناطيسي عبر مادة. تربط كثافة التدفق المغناطيسي (B) بقوة المجال المغناطيسي (H).
الوحدات: H/m, μH/m, nH/m, النفاذية النسبية (μᵣ)
الصيغة: B = μ × H
التطبيقات: المغناطيسات الكهربائية، المحولات، التدريع المغناطيسي، المحاثات، أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي
الأمثلة: الفراغ (μᵣ = 1)، الحديد (μᵣ = 5,000)، بيرمالوي (μᵣ = 100,000)
نفاذية السوائل (k)
تقيس مدى سهولة تدفق السوائل (النفط، الماء، الغاز) عبر وسائط مسامية مثل الصخور أو التربة. حاسمة لهندسة البترول.
الوحدات: darcy (D), millidarcy (mD), nanodarcy (nD), m²
الصيغة: Q = (k × A × ΔP) / (μ × L)
التطبيقات: خزانات النفط/الغاز، تدفق المياه الجوفية، تصريف التربة، توصيف الصخور
الأمثلة: الصخر الزيتي (1-100 nD)، الحجر الرملي (10-1000 mD)، الحصى (>10 D)
نفاذية الغاز (P)
تقيس مدى سرعة انتقال غازات معينة عبر البوليمرات، أو الأغشية، أو مواد التغليف. تستخدم في التغليف وعلوم الأغشية.
الوحدات: barrer, GPU (gas permeation unit), mol·m/(s·m²·Pa)
الصيغة: P = (N × L) / (A × Δp × t)
التطبيقات: تغليف المواد الغذائية، أغشية فصل الغازات، الطلاءات الواقية، بدلات الفضاء
الأمثلة: HDPE (0.5 barrer لـ O₂)، مطاط السيليكون (600 barrer لـ O₂)
نفاذية بخار الماء
تقيس معدل انتقال الرطوبة عبر مواد البناء، أو الأقمشة، أو التغليف. حاسمة للتحكم في الرطوبة وعلوم البناء.
الوحدات: perm, perm-inch, g/(Pa·s·m²)
الصيغة: WVTR = النفاذية × فرق ضغط البخار
التطبيقات: حواجز بخار المباني، الأقمشة القابلة للتنفس، إدارة الرطوبة، التغليف
الأمثلة: البولي إيثيلين (0.06 perm)، الخشب الرقائقي (0.7 perm)، الحوائط الجافة غير المدهونة (20-50 perm)
حقائق سريعة
لا يمكن التحويل بين الأنواع
النفاذية المغناطيسية (H/m) ≠ نفاذية السوائل (darcy) ≠ نفاذية الغاز (barrer) ≠ نفاذية البخار (perm). هذه تقيس فيزياء مختلفة!
نطاق واسع للغاية
تمتد نفاذية السوائل على 21 مرتبة عشرية: من الصخر الزيتي المحكم (10⁻⁹ darcy) إلى الحصى (10¹² darcy)
الخلط في أسماء الوحدات
تُستخدم كلمة 'النفاذية' لجميع الأنواع الأربعة، لكنها كميات مختلفة تمامًا. حدد دائمًا النوع!
تعتمد على المادة
تعتمد نفاذية الغاز على كل من المادة ونوع الغاز. نفاذية الأكسجين ≠ نفاذية النيتروجين لنفس المادة!
النفاذية المغناطيسية (μ)
تصف النفاذية المغناطيسية كيفية استجابة المادة لمجال مغناطيسي. هي نسبة كثافة التدفق المغناطيسي (B) إلى قوة المجال المغناطيسي (H).
الصيغة: B = μ × H = μ₀ × μᵣ × H
B = كثافة التدفق المغناطيسي (T), H = قوة المجال المغناطيسي (A/m), μ = النفاذية (H/m), μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H/m (الفضاء الحر), μᵣ = النفاذية النسبية (بدون أبعاد)
فئات المواد
| النوع | النفاذية النسبية | أمثلة |
|---|---|---|
| ديامغناطيسي | μᵣ < 1 | البزموت (0.999834)، النحاس (0.999994)، الماء (0.999991) |
| بارامغناطيسي | 1 < μᵣ < 1.01 | الألومنيوم (1.000022)، البلاتين (1.000265)، الهواء (1.0000004) |
| فرومغناطيسي | μᵣ >> 1 | الحديد (5,000)، النيكل (600)، بيرمالوي (100,000) |
نفاذية السوائل (Darcy)
تقيس نفاذية السوائل مدى سهولة تدفق السوائل عبر الصخور المسامية أو التربة. الدارسي هو الوحدة القياسية في هندسة البترول.
الصيغة: Q = (k × A × ΔP) / (μ × L)
Q = معدل التدفق (m³/s), k = النفاذية (m²), A = مساحة المقطع العرضي (m²), ΔP = فرق الضغط (Pa), μ = لزوجة السائل (Pa·s), L = الطول (m)
ما هو الدارسي؟
1 دارسي هي النفاذية التي تسمح بتدفق 1 سم³/ثانية من سائل (لزوجته 1 سنتيبواز) عبر مقطع عرضي مساحته 1 سم² تحت تدرج ضغط قدره 1 ضغط جوي/سم.
المكافئ SI: 1 darcy = 9.869233 × 10⁻¹³ m²
نطاقات النفاذية في هندسة البترول
| الفئة | النفاذية | الوصف | الأمثلة: |
|---|---|---|---|
| محكم جدًا (صخر زيتي) | 1-100 نانودارسي (nD) | يتطلب تكسيرًا هيدروليكيًا للإنتاج الاقتصادي | صخر باكن الزيتي، صخر مارسيلوس الزيتي، صخر إيجل فورد الزيتي |
| غاز/نفط محكم | 0.001-1 ميليدارسي (mD) | صعب الإنتاج، يحتاج إلى تحفيز | الأحجار الرملية المحكمة، بعض الكربونات |
| خزان تقليدي | 1-1000 ميليدارسي | إنتاجية جيدة للنفط/الغاز | معظم خزانات الحجر الرملي والكربونات التجارية |
| خزان ممتاز | 1-10 دارسي | إنتاجية ممتازة | الأحجار الرملية عالية الجودة، الكربونات المتشققة |
| نفاذية عالية للغاية | > 10 دارسي | معدلات تدفق عالية جدًا | الحصى، الرمل الخشن، الصخور شديدة التشقق |
نفاذية الغاز (Barrer)
تقيس نفاذية الغاز مدى سرعة انتقال غازات معينة عبر البوليمرات والأغشية. البارر هو الوحدة القياسية، سميت على اسم الفيزيائي ريتشارد بارر.
الصيغة: P = (N × L) / (A × Δp × t)
P = النفاذية (barrer), N = كمية الغاز المنقولة (cm³ في STP), L = سمك المادة (cm), A = المساحة (cm²), Δp = فرق الضغط (cmHg), t = الزمن (s)
ما هو البارر؟
1 barrer = 10⁻¹⁰ cm³(STP)·cm/(s·cm²·cmHg). يقيس هذا حجم الغاز (عند درجة الحرارة والضغط القياسيين) الذي ينفذ عبر وحدة سمك لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمن لكل وحدة فرق ضغط.
الوحدات البديلة: 1 barrer = 3.348 × 10⁻¹⁶ mol·m/(s·m²·Pa)
مثال: مطاط السيليكون: H₂ (550 barrer)، O₂ (600 barrer)، N₂ (280 barrer)، CO₂ (3200 barrer)
التطبيقات
| المجال | التطبيق | أمثلة |
|---|---|---|
| تغليف المواد الغذائية | نفاذية O₂ المنخفضة تحافظ على النضارة | EVOH (0.05 barrer), PET (0.05-0.2 barrer) |
| فصل الغازات | النفاذية العالية تفصل الغازات (O₂/N₂, CO₂/CH₄) | مطاط السيليكون، البوليميدات |
| التغليف الطبي | الأفلام العازلة تحمي من الرطوبة/الأكسجين | عبوات الفقاعة، الزجاجات الدوائية |
| بطانات الإطارات | نفاذية الهواء المنخفضة تحافظ على الضغط | مطاط هالوبيوتيل (30-40 barrer) |
نفاذية بخار الماء (Perm)
تقيس نفاذية بخار الماء انتقال الرطوبة عبر المواد. حاسمة لعلوم البناء، ومنع العفن، والتكثيف، والأضرار الهيكلية.
الصيغة: WVTR = النفاذية × (p₁ - p₂)
WVTR = معدل انتقال بخار الماء, النفاذية = النفاذية/السمك, p₁, p₂ = ضغط البخار على كل جانب
ما هو البيرم؟
US Perm: 1 perm (US) = 1 grain/(h·ft²·inHg) = 5.72135 × 10⁻¹¹ kg/(Pa·s·m²)
Metric Perm: 1 perm (metric) = 1 g/(Pa·s·m²) = 57.45 perm-inch (US)
ملاحظة: Perm-inch يشمل السمك؛ perm هو النفاذية (مقسومة بالفعل على السمك)
تصنيفات مواد البناء
| الفئة | الوصف | الأمثلة: |
|---|---|---|
| حواجز البخار (< 0.1 perm) | تمنع تقريبًا كل انتقال للرطوبة | رقائق البولي إيثيلين (0.06 perm)، رقائق الألومنيوم (0.0 perm)، ورق جدران الفينيل (0.05 perm) |
| مثبطات البخار (0.1-1 perm) | تبطئ الرطوبة بشكل كبير، ولكنها ليست حاجزًا كاملاً | الطلاء الزيتي (0.3 perm)، ورق الكرافت (0.4 perm)، الخشب الرقائقي (0.7 perm) |
| شبه نفاذة (1-10 perm) | تسمح ببعض انتقال الرطوبة | طلاء اللاتكس (1-5 perm)، ألواح OSB (2 perm)، ورق البناء (5 perm) |
| نفاذة (> 10 perm) | تسمح بانتقال الرطوبة بحرية | الحوائط الجافة غير المدهونة (20-50 perm)، عزل الألياف الزجاجية (>100 perm)، غلاف المنزل (>50 perm) |
المناخ البارد: في المناخات الباردة، توضع حواجز البخار على الجانب الدافئ (الداخلي) لمنع تكثيف الرطوبة الداخلية في تجاويف الجدران الباردة.
المناخ الحار الرطب: في المناخات الحارة الرطبة، يجب أن تكون حواجز البخار في الخارج أو استخدام جدران نفاذة للسماح بالجفاف في كلا الاتجاهين.
جداول تحويل سريعة
النفاذية المغناطيسية
| من | إلى |
|---|---|
| 1 H/m | 1,000,000 μH/m |
| 1 H/m | 795,774.7 μᵣ |
| μ₀ (الفراغ) | 1.257 × 10⁻⁶ H/m |
| μ₀ (الفراغ) | 1.257 μH/m |
| μᵣ = 1000 (الحديد) | 0.001257 H/m |
نفاذية السوائل (Darcy)
| من | إلى |
|---|---|
| 1 darcy | 1,000 ميليدارسي (mD) |
| 1 darcy | 9.869 × 10⁻¹³ m² |
| 1 millidarcy | 10⁻⁶ darcy |
| 1 nanodarcy | 10⁻⁹ darcy |
| 1 m² | 1.013 × 10¹² darcy |
نفاذية الغاز
| من | إلى |
|---|---|
| 1 barrer | 10,000 GPU |
| 1 barrer | 3.348 × 10⁻¹⁶ mol·m/(s·m²·Pa) |
| 1 GPU | 10⁻⁴ barrer |
| 100 barrer | حاجز جيد |
| > 1000 barrer | حاجز ضعيف (نفاذية عالية) |
نفاذية بخار الماء
| من | إلى |
|---|---|
| 1 perm (US) | 5.72 × 10⁻¹¹ kg/(Pa·s·m²) |
| 1 perm-inch | 1.459 × 10⁻¹² kg·m/(Pa·s·m²) |
| 1 perm (metric) | 57.45 perm-inch (US) |
| < 0.1 perm | حاجز بخار |
| > 10 perm | نفاذ للبخار |
الأسئلة الشائعة
هل يمكنني تحويل دارسي إلى بارر أو بيرم؟
لا! هذه تقيس خصائص فيزيائية مختلفة تمامًا. نفاذية السوائل (darcy)، ونفاذية الغاز (barrer)، ونفاذية البخار (perm)، والنفاذية المغناطيسية (H/m) هي أربع كميات مميزة لا يمكن تحويلها بين بعضها البعض. استخدم مرشح الفئة في المحول.
لماذا تعتمد نفاذية الغاز على نوع الغاز؟
الغازات المختلفة لها أحجام جزيئية وتفاعلات مختلفة مع المواد. ينفذ H₂ و He أسرع من O₂ أو N₂. حدد دائمًا الغاز: 'نفاذية O₂ = 0.5 barrer' وليس فقط 'النفاذية = 0.5 barrer'.
ما الفرق بين perm و perm-inch؟
Perm-inch هي النفاذية (خاصية مادية مستقلة عن السمك). Perm هي النفاذية (تعتمد على السمك). العلاقة: النفاذية = النفاذية / السمك. استخدم perm-inch لمقارنة المواد.
كيف يستخدم مهندسو البترول الدارسي؟
تحدد نفاذية الخزان معدلات تدفق النفط/الغاز. قد ينتج خزان 100 mD 500 برميل/يوم؛ خزان غاز محكم 1 mD يتطلب تكسيرًا هيدروليكيًا. تكوينات الصخر الزيتي (1-100 nD) محكمة للغاية.
لماذا النفاذية النسبية (μᵣ) بدون أبعاد؟
إنها نسبة تقارن نفاذية مادة بنفاذية الفراغ (μ₀). للحصول على النفاذية المطلقة بـ H/m: μ = μ₀ × μᵣ = 1.257×10⁻⁶ × μᵣ H/m. للحديد (μᵣ = 5000)، μ = 0.00628 H/m.
هل النفاذية العالية جيدة دائمًا؟
يعتمد على التطبيق! الدارسي المرتفع جيد لآبار النفط ولكنه سيئ للاحتواء. البارر المرتفع جيد للأقمشة القابلة للتنفس ولكنه سيئ لتغليف المواد الغذائية. ضع في اعتبارك هدفك الهندسي: حاجز (منخفض) أو تدفق (مرتفع).
ما الذي يحدد موضع حاجز بخار المبنى؟
المناخ! تتطلب المناخات الباردة حواجز بخار على الجانب الدافئ (الداخلي) لمنع تكثيف الرطوبة الداخلية في الجدران الباردة. تتطلب المناخات الحارة الرطبة حواجز في الخارج أو جدران نفاذة للسماح بالجفاف في كلا الاتجاهين. الوضع الخاطئ يسبب العفن والتعفن.
ما هي المواد التي لديها أعلى/أدنى نفاذية؟
المغناطيسية: سوبرمالوي (μᵣ~1M) مقابل الفراغ (μᵣ=1). السوائل: الحصى (>10 D) مقابل الصخر الزيتي (1 nD). الغاز: السيليكون (3000+ barrer لـ CO₂) مقابل الأفلام المعدنية (0.001 barrer). البخار: الألياف الزجاجية (>100 perm) مقابل رقائق الألومنيوم (0 perm).
دليل الأدوات الكامل
كل الأدوات البالغ عددها 71 متاحة على UNITS