نقطه شبنم (Dew Point) — به زبان ساده

نقطه شبنم دمایی است که در آن، هوا با استفاده از بخار آب، اشباع شده است. در واقع با سرد کردن هوا در فشار ثابت، به دمایی می‌رسیم که در آن، هوا توسط بخار آب (حالت گاز آب مایع) اشباع شده است، به این دما، دمای نقطه شبنم می‌گویند. نقطه شبنم کاربرد بسیار زیادی در علم تهویه مطبوع و هواشناسی دارد.

این مطلب ابتدا به صورت دقیق تعریف جامعی از نقطه شبنم را ارائه خواهد داد. در ادامه به مقایسه این مفهوم و مفهوم رطوبت نسبی در تهویه مطبوع پرداخته می‌شود. همچنین خواص مختلف مربوط به دمای نقطه شبنم نیز بیان می‌گردد و در انتهای مطلب، مقدمه‌ای از محاسبات مختلف مربوط به نقطه شبنم نیز ارائه می‌شود. توجه کنید که محاسبه پارامترهای مختلف در علم تهویه مطبوع، مانند نقطه شبنم، توسط نمودار سایکرومتریک انجام می‌شود و این نمودار در مطلب «نمودار سایکرومتریک — به زبان ساده» مورد مطالعه قرار گرفته است.

نقطه شبنم چیست؟

همانطور که اشاره شد، زمانی که هوا در یک فشار خاص، به دمای نقطه شبنم می‌رسد، بخار آب موجود در هوا در حالت تعادل با آب مایع قرار می‌گیرد.

فیلم آموزش ترمودینامیک ۲ – مرور و تست کنکور ارشد در فرادرس

کلیک کنید

در این حالت، نرخ میعان بخار آب و نرخ تبخیر آب مایع، با یکدیگر برابر هستند.

نکته بسیار مهمی که باید به آن توجه کرد این است که در دمایی پایین‌تر از دمای شبنم، آب مایع شروع به نشستن در سطوح جامد می‌کند. این سطح جامد می‌تواند برگ یک درخت باشد. توجه کنید که آب مایع، اطراف ذرات جامد موجود در اتمسفر نیز تجمع می‌کند و در این حالت ابر یا مه تشکیل می‌شود.

بنابراین به صورت کلی می‌توان بیان کرد که اگر دمای هوا را بدون تغییر رطوبت و فشار آن، کاهش دهیم، در یک دمای معین قطرات ریز آب شروع به تشکیل شدن می‌کند. به این دما دمای نقطه شبنم می‌گویند.

مقایسه رطوبت نسبی و نقطه شبنم

نقطه شبنم در علم ترمودینامیک بسیار به مفهوم «رطوبت نسبی» (Relative Humidity) نزدیک است. رطوبت نسبی، در یک دمای مشخص تعیین می‌شود. بنابراین در این دمای مشخص، نسبت فشار بخار آب موجود در یک بخش از هوا به فشار اشباع بخار آب در همان بخش از هوا را رطوبت نسبی می‌نامند. رطوبت نسبی را در علم مکانیک، معمولا با استفاده از درصد نشان می‌دهند.

فیلم آموزش ترمودینامیک مهندسی شیمی ۲ – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

همچنین می‌توان بیان کرد که رطوبت برابر با مقدار بخار آب قرار گرفته در هوا است. این رطوبت را می‌توان به صورت نسبت مقدار بخار آب موجود در هوا به بیشترین مقدار ممکن بخار آب در هوا در یک دمای معین، تعریف کرد. زمانی که این نسبت به صورت درصد معرفی می‌شود، برابر با پارامتر رطوبت نسبی است.

برای مثال زمانی که رطوبت نسبی برابر با 50 درصد است، رطوبت موجود در هوا برابر با نیمی از بیشترین مقدار ممکن آن است.

همچنین زمانی که رطوبت نسبی برابر با 100 درصد است، دمای نقطه شبنم و دمای هوا یکسان هستند. در این شرایط اگر دما اندکی افت کند، میعان رخ می‌دهد و آب مایع شروع به شکل گرفتن می‌کند.

نکته دیگری که باید به آن توجه کرد این است که نقطه شبنم بر خلاف رطوبت نسبی، در اکثر اندازه‌گیری‌ها به عنوان یک داده صریح و معتبر برای تعیین رطوبت هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد. در واقع دلیل این موضوع این است که نقطه شبنم به صورت مطلق اندازه‌گیری می‌شود.

بسیاری از افراد با دمای نقطه شبنم در حدود 60 درجه فارنهایت (معادل با دمای حدود $$ { 16 } $$ درجه سلسیوس) یا کمتر راحت هستند. در دمای نقطه شبنم بالا، مانند $$ { 70 } $$ درجه فارنهایت ($$ { 21 } $$ درجه سلسیوس)، افراد مختلف معمولا احساس گرما می‌کنند. دلیل این موضوع این است که در این حالت، مقدار بخار آب موجود در هوا، فرایند تبخیر عرق بدن را کند می‌کند و مانع از خنک شدن بدن می‌شود.

خواص نقطه شبنم

یکی از کاربردهای بسیار زیاد نقطه شبنم در علم تهویه مطبوع و همچنین هواشناسی است. در واقع نقطه شبنم، در پیش‌بینی‌های مربوط به آب و هوا، اهمیت بسیار زیادی دارد که در ادامه به بررسی نکات مختلف این موضوع پرداخته می‌شود.

فیلم آموزش ترمودینامیک مهندسی شیمی در فرادرس

کلیک کنید

توجه کنید که دمای نقطه شبنم همواره کمتر از دمای هوا است. بنابراین دمای هوا در طول زمان کاهش می‌یابد ولی هیچگاه از دمای شبنم کمتر نمی‌شود. بر این اساس، این دما (دمای نقطه شبنم) کمک بسیار زیادی به پیش‌بینی میزان کاهش و افت دما می‌کند.

یکی از نکات دیگر در علم تهویه مطبوع و هواشناسی این است که نقطه شبنم به عنوان بازتابی از رطوبت نسبی در نظر گرفته می‌شود. بنابراین یک مکان خشک با رطوبت پایین مانند بیابان، نقطه شبنم کاملا متفاوتی نسبت به یک منطقه مرطوب دارد.

در واقع می‌توان بیان کرد که وقتی در بیابان دما 90 درجه فارنهایت است، نقطه شبنم دمایی در حدود 50 درجه فارنهایت یا کمتر دارد. این در حالتی است که اگر دمای هوا در یک شهر مرطوب برابر با 90 درجه فارنهایت باشد، دمای نقطه شبنم در حدود 70 یا 80 درجه فارنهایت است.

نکته دیگری که باید به آن اشاره کرد این است که در محیط‌های مرطوب که مقادیر بخار آب بیشتری دارند، خورشید به سختی می‌تواند هوا را گرم کند. بنابراین این موضوع نشان می‌دهد که اختلاف دمای میان روز و شب در مناطق مرطوب، کمتر از مناطق با آب و هوای خشک است.

همچنین توجه کنید که هوای گرم، توانایی حمل بخار آب بیشتری نسبت به هوای سرد دارد. به همین دلیل، رطوبت هوا در تابستان بیشتر از سایر فصول است.

محاسبات مربوط به نقطه شبنم

یکی از روش‌های اندازه‌گیری و تعیین دمای نقطه شبنم، استفاده از دستگاهی به نام «نم سنج» (Hygrometer) است. این دستگاه به صورت فیزیکی قادر است که دمای نقطه شبنم را محاسبه کند.

فیلم آموزش اصول مهندسی صنایع غذایی ۱ در فرادرس

کلیک کنید

در این دستگاه یک سطح صاف و براق مانند آینه وجود دارد که به تدریج سرد می‌شود و این سرد شدن تا زمانی ادامه دارد که بخار آب موجود در هوا شروع به میعان و نشستن روی سطح بکند. در این زمان، دمای سطح را اندازه‌گیری می‌کنند و دمای اندازه‌گیری شده را دمای شبنم می‌نامند.

یکی از نکات مهم دیگر این است که رطوبت نسبی را می‌توان با مقایسه دمای هوا و دمای نقطه شبنم، محاسبه کرد. در واقع دلیل این موضوع این است که نقطه شبنم بازتابی از رطوبت نسبی است. رابطه بین پارامترهای بیان شده به شکل زیر نشان داده می‌شود.

$$ { RH = { MR \over SMR } \times 100 } $$

در این رابطه RH، «رطوبت نسبی» (Relative Humidity) را نشان می‌دهد. همچنین MR و SMR به ترتیب بیان کننده «نسبت مخلوط» (Mixing Ratio) و «نسبت مخلوط اشباع» (Saturation Mixing Ratio) هستند.

نسبت مخلوط، نشان دهنده مقدار بخار آب موجود در هوا است و نسبت مخلوط اشباع، مقدار بخار آب موجود در هوا زمانی که در حالت اشباع قرار دارد را نشان می‌دهد. در واقع مقدار نسبت مخلوط اشباع مربوط به حالتی است که هوا، بیشترین مقدار ممکن بخار آب را دارد.

توجه کنید که با استفاده از نموداری مانند نمودار زیر هم می‌توان دمای نقطه شبنم یک هوا با دمای معین و در رطوبت نسبی‌های مختلف را مورد محاسبه قرار داد.

اما به صورت کلی برای اندازه‌گیری دمای نقطه شبنم و پارامترهای مشابه در تهویه مطبوع و علم مکانیک سیالات، از نمودار «سایکرومتریک» (Psychrometrics) استفاده می‌شود. این نمودار به صورت مفصل در مطلب «نمودار سایکرومتریک — به زبان ساده» وبلاگ فرادرس مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

متداول‌ترین نوع نمودار سایکرومتریک به شکل بالا است. در این نمودار، محمور افقی «دمای هوای خشک» (Dry-bulb temperature) را نشان می‌دهد. این دما برابر با دمای معمولی هوا است که با دما سنج اندازه‌گیری می‌شود.

محور عمودی این نمودار «نسبت رطوبت» (Humidity Ratio) را نشان می‌دهد. نسبت رطوبت یا رطوبت مخصوص، پارامتری است که نشان‌دهنده نسبت جرم بخار آب به جرم هوای خشک است و با نماد $$ W $$ نشان داده می‌شود.

$$ { W = { mw \over ma } } $$

$$ mw $$ نشان دهنده جرم بخار آب در واحد کیلوگرم و $$ ma $$ نیز نشان دهنده جرم هوای خشک در واحد کیلوگرم است.

بین این دو محور نیز خطوطی موجود هستند که نشان دهنده حجم مخصوص، رطوبت نسبی، دمای مرطوب و .. هستند و با استفاده از آن‌ها می‌توان به راحتی پارامترهای مختلف در تهویه مطبوع را محاسبه کرد. این نمودار به صورت دقیق در مطالب بعدی وبلاگ فرادرس مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

بنابراین همانطور که اشاره شد، با سرد کردن هوا در فشار ثابت، به دمایی می‌رسیم که در آن، هوا توسط بخار آب (حالت گاز آب مایع) اشباع شده است، به این دما، دمای نقطه شبنم می‌گویند.

این مطلب ابتدا به صورت دقیق تعریف جامعی از نقطه شبنم ارائه داد. در ادامه به مقایسه این مفهوم و رطوبت نسبی در تهویه مطبوع پرداخته شد. همچنین خواص مختلف مربوط به دمای نقطه شبنم مطالعه شد و مقدمه‌ای از محاسبات مختلف مربوط به نقطه شبنم نیز ارائه گردید. در مطلب «نمودار سایکرومتریک — به زبان ساده» وبلاگ فرادرس، به صورت دقیق محاسبات مربوط به نقطه شبنم و نمودار سایکرومتریک مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

در صورتی که به مباحث ارائه شده، علاقه‌مند هستید و قصد یادگیری در زمینه‌های مطرح شده در علم مکانیک سیالات را دارید، آموز‌ش‌های زیر به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی مکانیک
• تهویه مطبوع چیست؟ — به زبان ساده
• اتاق تمیز (Cleanroom) — به زبان ساده
• کنترل آلاینده‌ها در اتاق تمیز — به زبان ساده
• آموزش اصول طراحی، نصب و سرویس سیستم های تهویه مطبوع حجم متغیر VRF
• آموزش آشنایی با سیستم های تهویه مطبوع سرمایشی و گرمایشی (چیلرهای توربوکر و دیگ های چگالشی)

^^