مقاله قانون اول ترمودینامیک و مفاهیم معماری پایدار در اقلیم گرم و خشک

بخشی از مقاله

چکیده
مفهوم قانون اول ترمودینامیک ، تبادل حرارتی فضای داخلی ابنیه اقلیم گرم و خشک و محیط خارجی آنرا توسط مصالح با ظرفیت حرارتی و گرمای ویژه بالای سطوح ارتباطی ، مانند دیوارها ، بام
و    ... ، و ایجاد شرایطی مناسب جهت آسایش حرارتی ساکنین در طی شبانه روز را توجیه می کند . با مد نظر قرار دادن اصل "زمان تاخیر" توجیحی مناسب ، جهت تعادل گرمای شبانه روزی محیط داخلی ابنیه و استفاده از مفاهیم فرایندهای تکدما ، تک حجم ، تک فشار، و بی دررو در ساعات و شرایط مختلف دمایی شبانه روز را که در این نوشتار به گونه ای مورد بررسی قرار گرفته اند که ترکیبی از آنها آسایش ابنیه اقلیم گرم و خشک را فراهم می آورد.

درادامه نوشتار ارایه راهکارهایی به منظور طراحی سیستمی منزوی بر طبق قانون اول ترمودینامیک و حداقل تبادل حرارتی ابنیه منزوی - سیستم منزوی - جهت طراحی بر اساس قانون پایستگی انرژی مورد بررسی قرار می گیرد . اشاره به انرژی کل ابنیه در یک لحظه خاص را می توان با انرژی کل آن در لحظه ای دیگر ارتباط داد و بدین منظور نیازی به انرژی بینابینی نیست . به نظر می رسد که فرایندهای بی دررو در این میان مناسب ترین و در عین حال دارای حداکثر انطباق ، در جهت نیل به مقصود با لحاظ نمودن قانون اول ترمودینامیک در محیط داخلی ابنیه می باشد ،

هر چند در این سیستم استفاده از نور طبیعی لازم به نظر می آید ، با این حال می توان اینگونه پدیده را توجیه نمود که نور طبیعی جهتی یک طرفه و از خارج به داخل سیستم دارد و استفاده از انرژی نور طبیعی با استفاده از فرایند تک حجم به حالتی بهینه شرایط پایستگی انرژی داخلی ابنیه را فراهم می آورد ، این نکته نیز که نور طبیعی باعث ایجاد پدیده گلخانه ای در محیط داخلی بنا می شود نیز ضروری و مورد تعمق به نظر می رسد ، و می توانیم از انرژی گرمایی حاصل از آن در جهت استفاده از تولید انرژی الکتریکی ، دستگاههای ذخیره انرژی حرارتی ، فرایندهای شیمیایی مواد و مصالح خاص در تعامل نور طبیعی و سایر سیستمهای فیزیکی بهره برد . تمامی تلاشهای محقق جهت ارایه اصولی جهت دستیابی به طراحی ابنیه پایدار در اقلیم گرم وخشک معطوف است.

کلمات کلیدی : قانون اول ترمودینامیک ، فرایندهای تکدما - تک حجم - تک فشار و بی دررو ، زمان تاخیر ، سیستم منزوی

مقدمه
معماری پایدار مقوله ای است که نشات گرفته از مفاهیم و اصول توسعه پایدار می باشد ، تمامی تلاشهای پژوهشگران در این زمینه معطوف به فرایند هایی است که حداکثر استفاده از سیستمهای غیر فعال و کاهش تکیه بر سیستمهای فعال را مورد توجه قرار می دهند ، سیستمهای غیر فعال در مقیاس وسیعی در طبیعت اعم از نور خورشید ، انرژی زمین گرمایی ، انرزی باد ، آب و ... ، و سیستمهای فعال مانند سوختهای فسیلی می باشند . در این پژوهش هدف بر تکیه مفاهیم ترمودینامیک با این رویکرد که پایداری محیطی ابنیه را فراهم آورد مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد و سعی بر ارایه اصول و راهکارهایی در طراحی ابنیه پایدار اقلیم گرم وخشک مد نظر می باشد .

روش تحقیق : تفسیری - تاریخی کیفی و استدلال منطقی در این تحقیق مد نظر می باشد ، که در جهت دستیابی به طراحی ابنیه پایدار که در تعامل با مفاهیم پایه ترمودینامیک که ریشه در اصول فیزیکی دارند مورد بررسی قرار گرفته اند .

فرضیه : مفهوم قانون اول ترمودینامیک بستری مناسب جهت ارایه اصولی در جهت طراحی ابنیه پایدار به عنوان سیستمی منزوی و استفاده انرژی گرمایشی خورشید را فراهم می آورد.

به اعتبار پایستگی انرژی ، گرمای ورودی باید با افزایش انرژی داخلی گاز به اضافه کاری که گاز انجام می دهد ، برابر باشد - فرانک ج بلت ، - 1390 طبق قانون اول ترمودینامیک ، انرژی قابل خلق کردن و نابود شدن نیست و فقط می تواند از صورتی به صورت دیگرتبدیل گردد. در هر سامانه ای انرژی ورودی با خروجی باید یکسان باشد مگر اینکه ذخیره ارژی صورت گیرد - قیابکلو ، - 1393 می توانیم طبق قانون اول ترمودینامیک استفاده از مصالح با ظرفیت حرارتی بالا در ابنیه سنتی اقلیم گرم و خشک که دارای وزن مخصوص و گرمای ویژه بالا می باشند را توجیه کنیم ، در اینصورت ذخیره انرژی در دیوارها یعنی سطوح بیرونی رخ می دهد و طبق قانون اول ترمودینامیک انرژی ورودی و خروجی یکسان نیست و در این شرایط نوسان دمای شبانه روز در ابنیه اقلیم گرم و خشک کاهش یافته و انرژی ذخیره شده در شب هنگام که افت شدید دما در این نوع اقلیم صورت می پذیرد به شرایط مطلوبی از لحاظ در محیط داخلی می شود.

زمان تاخیر باعث می شود در ساعتی که هوا در حداکثر درجه حرارت خود می باشد حرارت نفوذ کرده دردیوارهای خارجی درهمان جا ذخیره شود وهنگام عصر و شب که هوا نسبتا خنک است ، از آن خارج شود . - کسمایی ، - 1382 می توانیم در معماری بومی ابنیه سنتی ایران اقلیم گرم و خشک استفاده از مصالحی مانند خشت را که دارای ظرفیت حرارتی بالا می باشند ، طبق قانون اول ترمودینامیک و مفهوم زمان تاخیر که ذخیره انرژی در مصالح و تبادل حرارتی مناسبی در ساعات شبانه روزی را درک و توجیه کنیم .مقاومت حرارتی دیوار عبارت است از مقاومتی که آن دیوار در برابر انتقال حرارت از یک به طرف دیگرش ایجاد می کند - کسمایی ، - 1382 مفهوم زمان تاخیر را با درک مولفه مفاومت حرارتی بهتر می توانیم توجیه کنیم ،

در اقلیم گرم و خشک که اختلاف دمای شبانه روزی همانطور که می دانیم بسیار زیاد است استفاده ازمقاومت حرارتی زیاد دیوار زمان تاخیر نیز افزایش می یابد و افزایش زمان تاخیر افت ناگهانی دما را در شب افزایش قابل ملاحظه ای تعدیل می بخشد.هنگامی که انرژی مکانیکی یک سیستم پایسته باشد ، بدون به بررسی حرکت بین دو لحظه و بدون تغییر کاری که نیروها انجام می دهند ، می توانیم مجموع انرژی های جنبشی و پتانسیل را در هر لحظه به مجموع این انرژی ها در لحظه دیگر نسبت دهیم - هالیدی ، - 1389 هر فرایندی که در طبیعت رخ می دهد مشمول قانون اول ترمودینامیک در نظر گرفته می شود .

هر گاه فرایندی سیستم را از حالت خود خارج نموده و مجددا آنرا به همان حالت اولیه برگرداند به آن فرایند چرخه ای یا دوره ای می گویند. در این صورت چون انرژی داخلی اولیه و نهایی برابر بوده و تغییر انرژی پتانسیل رخ نمی دهد تمام گرمای دریافتی سیستم تبدیل به کار مکانیکی بر روی محیط می شود . از لحاظ علمی ، کار خروجی حاصل از هر چرخه یک کمیت بسیار مهم است. - روح اللهی ، - 1386 می توانیم جذب مستقیم و غیر مستقیم را با توجه به مفهوم چرخه ای درک کرد ، در تعریف سامانه های غیر فعال خورشیدی مفاهیم جذب مستقیم و غیر مستقیم که شرح داده شده اند که به بررسی این دو مفهوم در ادامه از کتاب مبانی فیزیک ساختمان می پر دازیم.

جذب مستقیم - : - grain direct بناهای با با جذب مستقیم که به پنجره های رو به جنوب که به نام پنجره های خورشیدی نامیده می شوند وابسته اند . نور خورشید با امواج با طول موج کوتاه از شیشه عبور کرده و داخل فضای مورد نظر قرار می گیرد . این امواج پس از تابیده شدن بر روی سطوح داخلی ، آنها را گرم کرده و موجب انتشار امواج با طول موج بلند می شوند این امواج دیگر قادر به عبور از شیشه نبوده و در داخل فضا حبس می شوند که این امر به پدیده گلخانه ای مشهور است. به عبارت دیگر، گرفتن گرفتن پرتوهای نور با طول موج کوتاه و ساطع کردن پرتوها با طول موج بلند را اثر گلخانه ای گویند. - قیابکلو ، . - 1393

جذب غیر مستقیم : - indirect grain - دیوار ترومب ، این دیوار که در فاصله کمی از شیشه قرار دارد از موادی با چگالی بالا مانند سنگ ، آجر، خشت یا گالن های پر از آب ساخته شده و جدار داخلی آنها رنگ آمیزی تیره ای دارند - ریاحی ، - 1385 حوضچه های سقفی :استفاده از حوضچه ها یا استخرهای سقفی یکی از رایج ترین انواع این سامانه ها است که اولین بار در دهه1390 میلادی به اجرا در آمد و نتایج موفقیت آمیزی را نیز به دنبال داشت . در این سامانه ، حوضچه سقفی حرارت نور خورشید را طی روز زمستانی جذب کرده و در هنگام شب ، برای حفظ گرمای حاصله سقف را با عایق حرارتی می پوشانند - ریاحی ، - 1385 در پدیده گلخانه ای این مفهوم را بسط می دهیم که با سامانه مجزا این پدیده رخ می دهد و نتیجتا این ذخیره انرژی هر دو در یک فضای جداگانه ای مانند گلخانه صورت می پذیرد .

می دانیم که گرمایش و سرمایش در ساختمان ها صورت نمی پذیرد مگر با افزایش و یا کاهش انرژی در آنها ، علم انتقال حرارت - heat transfer - دانشی است که با پیش بینی انتقال حرارتی که بین دو جسم به واسطه وجود اختلاف درجه حرارت به وجود می آید سرو کار دارد و نه تنها اختلاف درجه حرارت را تشریح می کند بلکه نرخ تبادل حرارت تحت شرایط خاص و معین را نیز پیش بینی می کند.هنگام انتقال حرارت اصول اول و دوم ترمودینامیک همراه با قوانین تجربی به کار گرفته می شوند که با کمک آنها می توان نرخ انتقال حرارت را به دست آورد - قیابکلو ، - 1393 گردش همرفتی یک سیال که در یک سیستم بسته - در این نوشتار بنای اقلیم گرم و خشک - اتفاق می افتد ، جایی که سیال سرد به جای سیال گرم در همان سیستم جایگزین می گردد ، ترموسیفون نامیده می شود .

این سامانه در واقع یک چرخه جابجایی طبیعی است . لازم به ذکر است که در دیوار ترومب - با دریچه - و گلخانه نیز توضیع گرما به وسیله ترموسیفون انجام می گیرد . در این روش هوای سرد جای هوایی را که در محیط گرد آورنده گرم شده و تمایل به بالا رفتن دارد را گرفته و این گردش هوا به صورت مرتب توسط گرمای حاصل از نور خورشید ادامه می یابد - روح اللهی ، - 1386 همانطوریکه در مطالب شرح داده شد سامانه ترموسیفون با دانش انتقال حرارت heat transfer - - که انتقال حرارت بین دو سیال - سرد و گرم - را که در سامانه ای طبیعی و نتیجتا همان قانون اول ترمودینامیک یعنی فرایندهای اتفاقی که مشمول آن می شوند را شرح می دهد .

می دانیم که در اقلیم گرم و خشک پایین نگاه داشتن میزان تهویه در روز به منظو کاهش هوای گرم محیط داخلی ابنیه ، استفاده از پنجره های کوچک در جبهه هایی که تابش نور خورشید دارند ، استفاده از دیوارهای نسبتا قطور با مصالح با ظرفیت گرمایی بالا با قانون اول ترمودینامیک انطباق دارند.به تجربه روشن شده است که هر چه سطح خارجی یک ساختمان  معمولی - فاقد عایق حرارتی - بیشتر باشد ، به همان نسبت به میزان مبادله حرارت میان محیط داخل و خارج ساختمان افزوده   خماهد شد . لذا ، ضمن کوچک کردن سطوح کم مقاومت - از لحاظ گرمایی - از قبیل در و پنجره ، باید نسبت هجموع سطوح خارجی ساختمان به حجم آنرا به حداقل ممکن تنزل داد ، به عبارت دیگر پلان ساختمان را متراکم طراحی کرد . - راز جویان    ، - 1393 می دانیم که افزایش سطح خارجی یک ساختمان باعثافزایش مبادله حرارتی فضای داخلی و خارجی ابنیه می شود .    

طبق قانون اول ترمودینامیک به علت بالا رفتن نسبت سطح به حجم به میزان قابل توجهی افزایش می یابد و انرژی داخلی که از  قانون پایستگی انرژی تبعیت می کند در تبادل بالایی با انرژی  
خارجی قرار می گیرد ، که در نتیجه نوسان دمایی و حرارتی محیط متاثر از آن می شود ، جهت جلوگیری از تبادل بالای انرژی و لحاظ نمودن حداکثری شرایط پایدار محیط داخلی ابنیه ناگزیر    
از کاهش نسبت سطح خارجی به فضای داخلی می باشیم دراقلیم گرم و خشک می توانیم با استفاده از برودت تابشی ناشی از تشعشع موج بلند گرمای جدار ساختمان به سمت آسمان و کاهش    
جذب گرما به محیط داخلی ابنیه و کاهش انرژی ورودی از طریق  کاهش ذخیره انرژی در سطوح ، نیروی ابنیه که موجب گسیل  انرژی به داخل بنا می شود را لحاظ نمود و سامانه ای طراحی  
کنیم تا طبق قانون اول ترمودینامیک به تبادل حرارتی محیط داخلی ابنیه از طریق پایستاری انرژی و حفظ انرژی دست یابیم . 

از برودت تابشی ناشی از موج بلند گرمای جدار ساختمان استفاده شود : به تجربه روشن شده است که در مناطق خشک و کویری -  با رطوبت نسبی کم - روزها بسیار گرم ، ولی شب ها هوا صاف و  
آ رام است و در نتیجه دمای اتمسفر پس از غروب آفتاب به سرعت رو به کاهس می گذارد و به طبع آن زمین و بام ساختمان ها نیز گرمای خود را با تشعشع به سمت آسمان سرد از دست می دهند  
و خنک می شوند ، به همان گونه که یک جسم از راه تشعشع  گرمای خود را به جسم سردتر انتقال می دهد . - رازجویان ، 1393  - تبادل حرارتی طبق چهار اصل فیزیکی : هدایت ، جابجایی ، تابش و تبخیر انجام می گیرد . - واتسون ، - 1391    

رسانش - هدایت - : حرارت با گذشتن از یک مولکل هم جوار می تواند از داخل اجسام یا از جسمی به جسم دیگر که با آن تماس دارد عبور کند ، این نوع انتقال حرارت - رسانش - نامیده می    
شود از طریق رسانش ،حرارت موجود در یک اتاق بدون عایق حرارتی دفع می شود . یا حرارت یا حرارت هوای خارج و حرارت تولید شده در اثر تابش آفتاب در سطح خارجی دیوارها، به    
فضاهای داخلی انتقال می یابد . معمولا هر چه یک دیوار متراکم  تر باشد ، حرارت سریع تر به صورت رسانش از آن عبور می کند . همرفت : جریان هوا می تواند گرما را از سطوح گرم به سطوح سردمنتقل کند . این نوع انتقال حرارت - همرفت - نامیده می شود .

هوا در اثر گرم شدن منبس و در نتیجه سبک می شود و به همین دلیل بالا می رود این هوای گرم پس از مدتی حرارت خود را به سطوح اطراف خود انتقال می دهد و دوباره سرد ، منقبض وسنگین شده ، به طرف پایین حرکت می کند . در یک فضای بسته مانند اتاق ، حرارت باعث به جریان افتادن هوای گرم از پایین به بالا و هوای سرد از بالا به پایین می شود . تبخیر : عبارت است ازتغییر دما و انتقال حرارت که ممکن است به اشکال گوناگون صورت گیرد - کسمایی ، - 1382 همانطور که اشاره کردیم قانون  ترمودینامیک قانونی جهان شمول در مورد انتال حرارت می باشدکه در توجیه تبادل حرارتی نقش محوری را ایفا می کند ، رسانش  ، رسانش جهت تعادل حرارتی و اصل پایستگی انرژی حرارت را ازمولکولی به مولکول دیگر در اتاق بدون عایق حرارتی انتقال داده و انرژی داخلی را از صورتی به صورت دیگر تبدیل می نماید ،قانون اول ترمودینامیک در بررسی با این اصول انتقال حرارت برمااین موضوع را آشکار می نماید که ترکیبی از چهار اصل انتقال  حرارت توجیهی ترمودینامیکی مفاهیمی می باشند که توجیه آنها توسط قانون اول ترمودینامیک بر ما میسر می باشد.

در ادامه بحث قانون اول ترمودینامیک به بررسی چهار اصل میپردازیم ، فرایندهای تک حجم : فرایندهایی هستند که در طی  آن حجم سیستم ثابت بماند در این حالت ماده می خواهد انبساط یابد ولی به دلیل بسته بودن ظرف یا فضا ، حجم آن ثابت می ماند به طوریکه همه گرمای وارد بر سیستم باعث افزایش انرژی داخلی آن خواهد شد . - روح اللهی ، - 1386 از فرایندهای تک حجم نتیجه می گیریم که حتی الامکان با کاهش این نوع فرایندها در اقلیم گرم و خشک باعث جلوگیری از افزایش انرژی داخلی و نتیجتا حرارت داخلی سیستم - بنا - و ایجاد شرایط برای افزایش حجم فضای داخلی ابنیه یعنی انبساط محیطی از افزایش بی رویه انرژی حرارتی داخلی جلوگیری نماییم .

این نوع اقدامات را میتوانیم جهت استفاده از شرایط تعادل حرارتی اجرایی نماییم. فرایندهای تک فشار : فرایندی را که در فشار ثابت انجام می گیردفرایند تک فشار گویند . برای مثال وقتی که جسم جامد در نقطه ذوب با گرفتن گرما تغییر حالت می دهد و ذوب می شود ویا درنقطه جوش ، جسم مایع به بخار تبدیل می شود - فرض بر این  است که فشار ثابت است - داین شرایط حجم سیستم می تواندتغییر کند ، در اینگونه فرایندها فشار ثابت بوده ولی حجم تغییر می کند . - روح اللهی ، - 1386 می توانیم با ایجاد شرایط برای  فرایندهای تک فشار که باعث تغییر حجم محیط داخلی ابنیه میشود از افزایش حرارت داخلی ابنیه تا میزان قابل توجهی کاهشدهیم .