الدخان الصادر من أعمدة المداخن
المؤلف:
جيرل ووكر
المصدر:
سيرك الفيزياء الطائر
الجزء والصفحة:
ص596
2025-09-06
323
عندما تكون الرياح عاصفة، يمكنها أن تعصف بعمود الدخان أو البخار المتكثّف الصادر من عمود المدخنة ليكون نمطًا فوضويا دائم التغير. ولكن ماذا يحدث عندما تكون الرياح منتظمة؛ سواء من حيث التوقيت أو الارتفاع؟ ألا ينبغي أن يرتفع عمود الدخان بميل على المستوى العمودي أثناء اتساعه؟ من الغريب أن ذلك قد لا يحدث، وبدلا من ذلك قد يشكل واحدًا من الأنماط الموضّحة في شكل 1أ. فما السبب وراء تكون هذه الأشكال؟ لماذا تنقسم بعض أعمدة الدخان التي تحنيها الرياح إلى عمودين (انظر شكل1ب)؟ في الأيام الساكنة ترتفع معظم أعمدة الدخان وتنتشر أفقيا لتشكل حرف
مستقيما. لماذا تُصدر بعض المداخن أعمدة دخان ضيقة ثم تتسع شيئًا فشيئًا؟
الجواب: في بعض المداخن الصناعية، يُدفع الغاز إلى أعلى؛ بحيث يقل احتمال تراجعه مع الدخان الذي يحمله إلى الأرض وخلق مشكلة تلوث. لن يحدث المزيد من ارتفاع الغاز إلا إذا كان الغاز أشد سخونة من الهواء المحيط. يخلق الفرق في درجة الحرارة طفوا يسرع حركة الغاز لأعلى. في المداخن الأخرى، بما في ذلك مداخن مدافئ المنازل، لا يُدفع الغاز ميكانيكيا ويعتمد ارتفاعه بالكامل على عملية الطفو. حتى إذا كان الغاز في البداية أكثر سخونة من الهواء، فقد يكون غير قادر على الارتفاع؛ لأن هذا الارتفاع سيبرد الغاز، ويعود التبريد إلى انخفاض ضغط الهواء مع
شكل 1: (أ) أعمدة الدخان التي تصدر من المداخن في رياح مستقرة أفقية. (ب) مسقط رأسي يبين عمود دخان ينقسم إلى عمودين.
الارتفاع. عندما ترتفع حزمة من الغاز، فإنها تتمدد في مقابل انخفاض الضغط. تأتي الطاقة الناتجة عن التمدُّد من الحركة العشوائية لجزيئات الغاز؛ إذ إنها تفقد الطاقة كلما بطأت حركتها، التي ينتج عنها انخفاض في درجة حرارة الغاز. إذا انخفضت درجة حرارة الغاز إلى ما هو أدنى من درجة حرارة الهواء، يُقال حينها إن الغاز يتعرض إلى «طفو سالب»، ويُجبر على الهبوط مجددًا.
يتأثر ارتفاع الغاز أيضًا بالمحتوى المائي للغاز؛ فإذا بُرِّد الغاز حتى يصل إلى النقطة التي يتكثَّف فيها بخار الماء مشكلا ،قطرات، فإن تحوُّل البخار إلى سائل يُطلق طاقةً تساعد على تسخين الغاز على الرغم من أن الغاز يكون في حالة تمدد. لا بد من وضع اعتبارات مشابهة لعملية هبوط الغاز ؛ إذ يؤدي ضغط الهواء المتزايد في هذه الحالة إلى تقلص الغاز وتسخينه. وإذا استمرت عملية هبوطه، فلا بد أن يظل أكثر برودة من الهواء.
تحدد درجة الحرارة النسبية للغاز والهواء الاتجاه الذي يتخذه الغاز، ولكن يعتمد شكل عمود الدخان الذي تحنيه الرياح على الاضطراب الهوائي (الدوامات الهوائية). إذا كان الاضطراب يتكون من دوامات صغيرة، فسيتمدد العمود تدريجيا ويتحرك بعيدًا عن المدخنة شيئًا فشيئًا. أما إذا كانت الدوامات أكبر ، فقد يتداخل الدخان مكونا شكل «حلقات». (يكون التداخل وهميًّا إلى حد ما؛ لأن أي حزمة من الغاز لا تتحرك لأعلى أو لأسفل، ولكن في خط شبه مستقيم. يرجع ظهور الحلقات إلى سلسلة من الحُزم الدخانية التي تدفع للتحرُّك في خطوط مستقيمة مختلفة بسبب الاضطراب الهوائي.) كمثال على ذلك، تدبر «الشكل المخروطي» الذي يحدث عندما يتسبب ارتفاع الغاز في برودته بسرعة ؛ بحيث يكون أقل من درجة حرارة الهواء، في حين أن أي عملية انخفاض للغاز تسخنه بسرعة فوق درجة حرارة الهواء. عندئذٍ يحتجز الغاز جزئيا بطول ارتفاع عمود المدخنة تقريبًا، ولكن يمكن لاضطراب هوائي خفيف أن يخلطه تدريجيا بشكل أفقي. يحدث الانتشار المروحي للدخان عندما تزداد درجة حرارة الهواء بصورة ملحوظة مع الارتفاع، وهي حالة تُعرف باسم الانقلاب الحراري. عندئذٍ يُحبَس الغاز بشكل أضيق ويمكن للاضطراب الهوائي أن يخلطه أفقيًا فحسب. وفي كلتا الحالتين، إذا كانت أجزاء من الغاز مرتفعة الحرارة، فيمكن لهذه الأجزاء أن تندفع إلى أعلى، وهو ما يشكل أعمدة دخان جانبية.
إذا انقسم عمود من الدخان، فيعود هذا الانقسام إلى الارتفاع السريع للغاز من مركز المدخنة وارتفاعه الأبطأ بطول جدرانها عند تشكل عمود الدخان، يبدأ الغاز في الانتشار لأعلى عبر مركز المدخنة وإلى الأسفل بطول جانبَيْها. تقسم هذه الحركة الدوامية عمود الدخان إلى عمودين ثم يتحرَّك هذان العمودان المنقسمان باتجاه الرياح في اتجاهين منفصلين.
عندما تُصدر إحدى المداخن الغاز ببطء كما يحدث في المدفأة عندما تكون النار منخفضة والفتحة الموجودة في الجزء العلوي من المدخنة واسعة)، لا بد أن ينكمش عمود الدخان أولًا، وأن تزداد سرعته قبل أن يتسع ليشكّل حرف V. يكون الانكماش نسخة معكوسة مما يحدث لتيار ماء يتدفق بسلاسة عندما يهبط من صنبور.
الاكثر قراءة في الديناميكا الحرارية
اخر الاخبار
اخبار العتبة العباسية المقدسة
