קצב זרימת נפח הוא מונח בפיזיקה המתאר כמה חומר - במונחים של ממדים פיזיים, ולא מסה - נע דרך החלל ליחידת זמן. לדוגמה, כשאתה מפעיל ברז למטבח, כמות מים נתונה (שאותה אתה עשוי למדוד באונקיות נוזלים, ליטרים או משהו אחר) עובר מהפתח של הברז בפרק זמן נתון (בדרך כלל שניות או דקות). כמות זו נחשבת לקצב זרימת הנפח.
המונח "קצב זרימת נפח" חל כמעט תמיד על נוזלים וגזים; מוצקים אינם "זורמים", למרות שגם הם עשויים לנוע בקצב קבוע דרך החלל.
משוואת קצב הזרימה
המשוואה הבסיסית לבעיות מסוג זה היא
ש = AV
איפהשהוא קצב זרימת הנפח,אהוא שטח החתך שנכבש על ידי החומר הזורם, ווהוא מהירות הזרימה הממוצעת.ונחשב לממוצע מכיוון שלא כל חלק מנוזל זורם נע באותו קצב. לדוגמה, כשאתה צופה במימי נהר עושים את דרכם במורד הזרם במספר נתון של גלונים לשנייה, אתה מבחין שלפני השטח יש כאן זרמים איטיים יותר ואלה מהירים יותר שם.
חתך הרוחב הוא לעתים קרובות מעגל בבעיות קצב זרימת נפח, מכיוון שבעיות אלו נוגעות לרוב לצינורות מעגליים. במקרים אלה, אתה מוצא את האזוראעל ידי ריבוע רדיוס הצינור (שהוא חצי מקוטרו) ומכפלת התוצאה ב- pi הקבוע (π), שערכו כ 3.14159.
יחידות הזרימה המקובלות ב- SI (מהצרפתית "מערכת בינלאומית", שווה ערך ל"מטרי ") הן ליטרים לשנייה (L / s) או מיליליטר לדקה (mL / min). מכיוון שארה"ב השתמשה זמן רב ביחידות אימפריאליות (אנגלית), עם זאת, עדיין הרבה יותר נפוץ לראות את קצב זרימת הנפח לידי ביטוי בגלונים ליום, גלונים / דקה (גרם לדקה) או קוב רגל לשנייה (cfs). כדי למצוא קצב זרימת נפח ביחידות שאינן נפוצות למטרה זו, תוכל להשתמש במחשבון קצב זרימה מקוון כמו זה שנמצא במשאבים.
קצב זרימה המוני
לפעמים תרצה לדעת לא רק את נפח הנוזל הנע ליחידת זמן, אלא את כמות המסה שזה מייצג. זה כמובן קריטי בהנדסה, כאשר זה חייב לדעת כמה משקל צינור נתון או צינור נוזל אחר או מאגר יכולים להחזיק בבטחה.
ניתן לגזור את נוסחת קצב זרימת המסה מנוסחת קצב זרימת הנפח על ידי הכפלת המשוואה כולה בצפיפות הנוזל,ρ. זה נובע מהעובדה שצפיפות מחולקת בנפח, מה שאומר שגם המסה שווה צפיפות כפול נפח. למשוואת זרימת הנפח כבר יש יחידות נפח ליחידת זמן, אז כדי לקבל מסה ליחידת זמן, אתה פשוט צריך להכפיל בצפיפות.
משוואת קצב הזרימה המונית היא אפוא
\ dot {m} = \ rho AV
ṁ, או "m-dot", הוא הסמל המקובל לקצב זרימת המוני.
בעיות בקצב הזרימה
נניח שקיבלת צינור ברדיוס של 0.1 מ '(10 ס"מ, כ -4 אינץ') ואמרו לך שאתה צריך להשתמש בצינור זה כדי לנקז מיכל מים מלא שלם בפחות משעה. המיכל הוא צילינדר עם גובה (ח) של 3 מטר וקוטר של 5 מטר. כמה מהר יצטרך זרם המים לנוע דרך הצינור, במ '3/ s, על מנת לבצע את העבודה הזו? הנוסחה לנפח גליל היא:
V = \ pi r ^ 2 h
משוואת העניין היאש = אָב, והמשתנה שאתה פותר לו הואו.
ראשית, חישבו את נפח המים במיכל וזכרו כי הרדיוס הוא חצי מהקוטר:
V = \ pi (2.5 \ text {m}) ^ 2 (3 \ text {m}) = 58.9 \ text {m} ^ 3
לאחר מכן, קבע את מספר השניות בשעה:
60 \ text {s / min} \ times 60 \ text {min / hr} = 3600 \ text {s}
קבע את קצב זרימת הנפח הנדרש:
Q = \ frac {58.9 \ text {m} ^ 3} {3600 \ text {s}} = 0.01636 \ text {m} ^ 3 \ text {/ s}
עכשיו קבעו את השטחאשל צינור הניקוז שלך:
A = \ pi (0.1) ^ 2 = 0.0314 \ טקסט {m} ^ 2
כך מהמשוואה לקצב זרימת הנפח שיש לך
V = \ frac {Q} {A} = \ frac {0.01636 \ text {m} ^ 3 \ text {/ s}} {0.0314 \ text {m} ^ 2} = 0.52 \ text {m / s} = 52 \ text {cm / s}
יש לכפות מים דרך הצינור במהירות מהירה אך סבירה של כחצי מטר, או קצת יותר מ- 1.5 מטר, לשנייה כדי לנקז כראוי את המיכל.