مبدل نفوذپذیری
مبدل نفوذپذیری
بین 4 نوع متمایز از واحدهای نفوذپذیری با دقت علمی تبدیل کنید. نفوذپذیریهای مغناطیسی (H/m)، سیال (darcy)، گاز (barrer) و بخار (perm) خواص فیزیکی اساساً متفاوتی را اندازهگیری میکنند و نمیتوان بین انواع آنها تبدیل کرد.
نفوذپذیری چیست؟
نفوذپذیری میزان سهولت عبور چیزی از یک ماده را اندازهگیری میکند، اما این تعریف ساده یک واقعیت حیاتی را پنهان میکند: چهار نوع کاملاً متفاوت از نفوذپذیری در فیزیک و مهندسی وجود دارد که هر کدام کمیتهای فیزیکی متفاوتی را اندازهگیری میکنند.
چهار نوع نفوذپذیری
نفوذپذیری مغناطیسی (μ)
میزان سهولت عبور شار مغناطیسی از یک ماده را اندازهگیری میکند. چگالی شار مغناطیسی (B) را به شدت میدان مغناطیسی (H) مرتبط میکند.
واحدها: H/m, μH/m, nH/m, نفوذپذیری نسبی (μᵣ)
فرمول: B = μ × H
کاربردها: الکترومغناطیسها، ترانسفورماتورها، محافظت مغناطیسی، سلفها، دستگاههای MRI
مثالها: خلاء (μᵣ = 1)، آهن (μᵣ = 5,000)، پرمالوی (μᵣ = 100,000)
نفوذپذیری سیال (k)
میزان سهولت جریان سیالات (نفت، آب، گاز) از طریق محیطهای متخلخل مانند سنگ یا خاک را اندازهگیری میکند. برای مهندسی نفت حیاتی است.
واحدها: darcy (D), millidarcy (mD), nanodarcy (nD), m²
فرمول: Q = (k × A × ΔP) / (μ × L)
کاربردها: مخازن نفت/گاز، جریان آب زیرزمینی، زهکشی خاک، مشخصهیابی سنگ
مثالها: شیل (1-100 nD)، ماسهسنگ (10-1000 mD)، شن (>10 D)
نفوذپذیری گاز (P)
میزان سرعت انتقال گازهای خاص از طریق پلیمرها، غشاها یا مواد بستهبندی را اندازهگیری میکند. در بستهبندی و علم غشا استفاده میشود.
واحدها: barrer, GPU (واحد نفوذ گاز), mol·m/(s·m²·Pa)
فرمول: P = (N × L) / (A × Δp × t)
کاربردها: بستهبندی مواد غذایی، غشاهای جداسازی گاز، پوششهای محافظ، لباسهای فضایی
مثالها: HDPE (0.5 barrer برای O₂)، لاستیک سیلیکون (600 barrer برای O₂)
نفوذپذیری بخار آب
میزان انتقال رطوبت از طریق مصالح ساختمانی، پارچهها یا بستهبندی را اندازهگیری میکند. برای کنترل رطوبت و علم ساختمان حیاتی است.
واحدها: perm, perm-inch, g/(Pa·s·m²)
فرمول: WVTR = نفوذپذیری × اختلاف فشار بخار
کاربردها: موانع بخار ساختمان، پارچههای قابل تنفس، مدیریت رطوبت، بستهبندی
مثالها: پلیاتیلن (0.06 perm)، تخته چندلا (0.7 perm)، دیوار خشک رنگنشده (20-50 perm)
حقایق سریع
نمیتوان بین انواع تبدیل کرد
نفوذپذیری مغناطیسی (H/m) ≠ نفوذپذیری سیال (darcy) ≠ نفوذپذیری گاز (barrer) ≠ نفوذپذیری بخار (perm). اینها فیزیکهای متفاوتی را اندازهگیری میکنند!
محدوده شدید
نفوذپذیری سیال 21 مرتبه بزرگی را در بر میگیرد: از شیل فشرده (10⁻⁹ darcy) تا شن (10¹² darcy)
سردرگمی در نام واحد
کلمه «نفوذپذیری» برای هر چهار نوع استفاده میشود، اما آنها کمیتهای کاملاً متفاوتی هستند. همیشه مشخص کنید کدام نوع!
مختص ماده
نفوذپذیری گاز هم به ماده و هم به نوع گاز بستگی دارد. نفوذپذیری اکسیژن ≠ نفوذپذیری نیتروژن برای همان ماده!
نفوذپذیری مغناطیسی (μ)
نفوذپذیری مغناطیسی نحوه واکنش یک ماده به میدان مغناطیسی را توصیف میکند. این نسبت چگالی شار مغناطیسی (B) به شدت میدان مغناطیسی (H) است.
فرمول: B = μ × H = μ₀ × μᵣ × H
B = چگالی شار مغناطیسی (T), H = شدت میدان مغناطیسی (A/m), μ = نفوذپذیری (H/m), μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H/m (فضای آزاد), μᵣ = نفوذپذیری نسبی (بدون بعد)
دستهبندی مواد
| نوع | نفوذپذیری نسبی | مثالها |
|---|---|---|
| دیامغناطیس | μᵣ < 1 | بیسموت (0.999834)، مس (0.999994)، آب (0.999991) |
| پارامغناطیس | 1 < μᵣ < 1.01 | آلومینیوم (1.000022)، پلاتین (1.000265)، هوا (1.0000004) |
| فرومغناطیس | μᵣ >> 1 | آهن (5,000)، نیکل (600)، پرمالوی (100,000) |
نفوذپذیری سیال (Darcy)
نفوذپذیری سیال میزان سهولت جریان سیالات در سنگ یا خاک متخلخل را اندازهگیری میکند. دارسی واحد استاندارد در مهندسی نفت است.
فرمول: Q = (k × A × ΔP) / (μ × L)
Q = نرخ جریان (m³/s), k = نفوذپذیری (m²), A = مساحت مقطع عرضی (m²), ΔP = اختلاف فشار (Pa), μ = ویسکوزیته سیال (Pa·s), L = طول (m)
دارسی چیست؟
1 دارسی نفوذپذیری است که به 1 سانتیمتر مکعب بر ثانیه از سیال (با ویسکوزیته 1 سانتیپواز) اجازه میدهد تا از مقطع عرضی 1 سانتیمتر مربع تحت گرادیان فشار 1 اتمسفر بر سانتیمتر عبور کند.
معادل SI: 1 darcy = 9.869233 × 10⁻¹³ m²
محدودههای نفوذپذیری در مهندسی نفت
| دستهبندی | نفوذپذیری | توضیحات | مثالها: |
|---|---|---|---|
| فوقالعاده فشرده (شیل) | 1-100 نانودارسی (nD) | برای تولید اقتصادی به شکست هیدرولیکی نیاز دارد | شیل باکن، شیل مارسلوس، شیل ایگل فورد |
| گاز/نفت فشرده | 0.001-1 میلیدارسی (mD) | تولید چالشبرانگیز، نیاز به تحریک دارد | ماسهسنگهای فشرده، برخی کربناتها |
| مخزن متعارف | 1-1000 میلیدارسی | بهرهوری خوب نفت/گاز | بیشتر مخازن ماسهسنگ و کربنات تجاری |
| مخزن عالی | 1-10 دارسی | بهرهوری عالی | ماسهسنگهای با کیفیت بالا، کربناتهای شکافدار |
| بسیار نفوذپذیر | > 10 دارسی | نرخ جریان بسیار بالا | شن، ماسه درشت، سنگ بسیار شکافدار |
نفوذپذیری گاز (Barrer)
نفوذپذیری گاز میزان سرعت انتقال گازهای خاص از طریق پلیمرها و غشاها را اندازهگیری میکند. بارر واحد استاندارد است که به نام فیزیکدان ریچارد بارر نامگذاری شده است.
فرمول: P = (N × L) / (A × Δp × t)
P = نفوذپذیری (barrer), N = مقدار گاز منتقل شده (cm³ در STP), L = ضخامت ماده (cm), A = مساحت (cm²), Δp = اختلاف فشار (cmHg), t = زمان (s)
بارر چیست؟
1 barrer = 10⁻¹⁰ cm³(STP)·cm/(s·cm²·cmHg). این واحد حجم گاز (در دما و فشار استاندارد) را که از واحد ضخامت در واحد مساحت در واحد زمان در واحد اختلاف فشار نفوذ میکند، اندازهگیری میکند.
واحدهای جایگزین: 1 barrer = 3.348 × 10⁻¹⁶ mol·m/(s·m²·Pa)
مثال: لاستیک سیلیکون: H₂ (550 barrer)، O₂ (600 barrer)، N₂ (280 barrer)، CO₂ (3200 barrer)
کاربردها
| زمینه | کاربرد | مثالها |
|---|---|---|
| بستهبندی مواد غذایی | نفوذپذیری کم O₂ تازگی را حفظ میکند | EVOH (0.05 barrer), PET (0.05-0.2 barrer) |
| جداسازی گاز | نفوذپذیری بالا گازها را جدا میکند (O₂/N₂, CO₂/CH₄) | لاستیک سیلیکون، پلیایمیدها |
| بستهبندی پزشکی | فیلمهای مانع از رطوبت/اکسیژن محافظت میکنند | بستههای بلیستر، بطریهای دارویی |
| آسترهای تایر | نفوذپذیری کم هوا فشار را حفظ میکند | لاستیک هالوبوتیل (30-40 barrer) |
نفوذپذیری بخار آب (Perm)
نفوذپذیری بخار آب انتقال رطوبت از طریق مواد را اندازهگیری میکند. برای علم ساختمان، جلوگیری از کپک، تراکم و آسیبهای ساختاری حیاتی است.
فرمول: WVTR = نفوذپذیری × (p₁ - p₂)
WVTR = نرخ انتقال بخار آب, نفوذپذیری = نفوذپذیری/ضخامت, p₁, p₂ = فشارهای بخار در هر طرف
پرم چیست؟
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)
توجه: پرم-اینچ شامل ضخامت است؛ پرم نفوذپذیری است (که قبلاً بر ضخامت تقسیم شده است)
طبقهبندی مصالح ساختمانی
| دستهبندی | توضیحات | مثالها: |
|---|---|---|
| موانع بخار (< 0.1 perm) | تقریباً تمام انتقال رطوبت را مسدود میکنند | ورق پلیاتیلن (0.06 perm)، فویل آلومینیوم (0.0 perm)، کاغذ دیواری وینیل (0.05 perm) |
| کندکنندههای بخار (0.1-1 perm) | رطوبت را به طور قابل توجهی کند میکنند، اما مانع کامل نیستند | رنگ روغنی (0.3 perm)، کاغذ کرافت (0.4 perm)، تخته چندلا (0.7 perm) |
| نیمهنفوذپذیر (1-10 perm) | اجازه انتقال مقداری رطوبت را میدهند | رنگ لاتکس (1-5 perm)، تخته OSB (2 perm)، کاغذ ساختمانی (5 perm) |
| نفوذپذیر (> 10 perm) | اجازه انتقال آزادانه رطوبت را میدهند | دیوار خشک رنگنشده (20-50 perm)، عایق فایبرگلاس (>100 perm)، روکش خانه (>50 perm) |
آب و هوای سرد: در آب و هوای سرد، موانع بخار در سمت گرم (داخلی) قرار میگیرند تا از تراکم رطوبت داخلی در حفرههای سرد دیوار جلوگیری شود.
آب و هوای گرم و مرطوب: در آب و هوای گرم و مرطوب، موانع بخار باید در سمت خارجی باشند یا از دیوارهای نفوذپذیر برای امکان خشک شدن در هر دو جهت استفاده شود.
جداول تبدیل سریع
نفوذپذیری مغناطیسی
| از | به |
|---|---|
| 1 H/m | 1,000,000 μH/m |
| 1 H/m | 795,774.7 μᵣ |
| μ₀ (خلاء) | 1.257 × 10⁻⁶ H/m |
| μ₀ (خلاء) | 1.257 μH/m |
| μᵣ = 1000 (آهن) | 0.001257 H/m |
نفوذپذیری سیال (Darcy)
| از | به |
|---|---|
| 1 darcy | 1,000 میلیدارسی (mD) |
| 1 darcy | 9.869 × 10⁻¹³ m² |
| 1 millidarcy | 10⁻⁶ darcy |
| 1 nanodarcy | 10⁻⁹ darcy |
| 1 m² | 1.013 × 10¹² darcy |
نفوذپذیری گاز
| از | به |
|---|---|
| 1 barrer | 10,000 GPU |
| 1 barrer | 3.348 × 10⁻¹⁶ mol·m/(s·m²·Pa) |
| 1 GPU | 10⁻⁴ barrer |
| 100 barrer | مانع خوب |
| > 1000 barrer | مانع ضعیف (نفوذپذیری بالا) |
نفوذپذیری بخار آب
| از | به |
|---|---|
| 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 | مانع بخار |
| > 10 perm | نفوذپذیر به بخار |
سوالات متداول
آیا میتوانم دارسی را به بارر یا پرم تبدیل کنم؟
خیر! اینها خواص فیزیکی کاملاً متفاوتی را اندازهگیری میکنند. نفوذپذیری سیال (darcy)، نفوذپذیری گاز (barrer)، نفوذپذیری بخار (perm) و نفوذپذیری مغناطیسی (H/m) چهار کمیت متمایز هستند که نمیتوان آنها را به یکدیگر تبدیل کرد. از فیلتر دستهبندی در مبدل استفاده کنید.
چرا نفوذپذیری گاز به نوع گاز بستگی دارد؟
گازهای مختلف اندازههای مولکولی و تعاملات متفاوتی با مواد دارند. H₂ و He سریعتر از O₂ یا N₂ نفوذ میکنند. همیشه گاز را مشخص کنید: «نفوذپذیری O₂ = 0.5 barrer» نه فقط «نفوذپذیری = 0.5 barrer».
تفاوت بین پرم و پرم-اینچ چیست؟
پرم-اینچ نفوذپذیری (خاصیت ماده مستقل از ضخامت) است. پرم نفوذپذیری (بسته به ضخامت) است. رابطه: نفوذپذیری = نفوذپذیری/ضخامت. از پرم-اینچ برای مقایسه مواد استفاده کنید.
مهندسان نفت چگونه از دارسی استفاده میکنند؟
نفوذپذیری مخزن نرخ جریان نفت/گاز را تعیین میکند. یک مخزن 100 mD ممکن است 500 بشکه در روز تولید کند؛ یک مخزن گاز فشرده 1 mD به شکست هیدرولیکی نیاز دارد. سازندهای شیل (1-100 nD) بسیار فشرده هستند.
چرا نفوذپذیری نسبی (μᵣ) بدون بعد است؟
این نسبتی است که نفوذپذیری یک ماده را با نفوذپذیری خلاء (μ₀) مقایسه میکند. برای بدست آوردن نفوذپذیری مطلق در H/m: μ = μ₀ × μᵣ = 1.257×10⁻⁶ × μᵣ H/m. برای آهن (μᵣ = 5000)، μ = 0.00628 H/m.
آیا نفوذپذیری بالا همیشه خوب است؟
به کاربرد بستگی دارد! دارسی بالا برای چاههای نفت خوب است اما برای مهار بد است. بارر بالا برای پارچههای قابل تنفس خوب است اما برای بستهبندی مواد غذایی بد است. هدف مهندسی خود را در نظر بگیرید: مانع (کم) یا جریان (بالا).
چه چیزی محل قرارگیری مانع بخار ساختمان را تعیین میکند؟
اقلیم! آب و هوای سرد به موانع بخار در سمت گرم (داخلی) نیاز دارد تا از تراکم رطوبت داخلی در دیوارهای سرد جلوگیری شود. آب و هوای گرم و مرطوب به موانع در سمت خارجی یا دیوارهای نفوذپذیر برای امکان خشک شدن در هر دو جهت نیاز دارد. قرار دادن نادرست باعث کپک و پوسیدگی میشود.
کدام مواد بالاترین/پایینترین نفوذپذیری را دارند؟
مغناطیسی: سوپرمالوی (μᵣ~1M) در مقابل خلاء (μᵣ=1). سیال: شن (>10 D) در مقابل شیل (1 nD). گاز: سیلیکون (بیش از 3000 barrer برای CO₂) در مقابل فیلمهای متالیزه (0.001 barrer). بخار: فایبرگلاس (>100 perm) در مقابل فویل آلومینیوم (0 perm).
فهرست کامل ابزارها
همه 71 ابزار موجود در UNITS