تحويل K إلى °R كلفن ↔ رانكين مجاناً عبر الإنترنت آمن

التصميم الحراري للمركبات الفضائية: من الكلفن إلى رانكين

القمر الاصطناعي لغز حراري. يواجه أحد جانبيه الشمس بأكثر من 1,300 واط للمتر المربع، وينظر الآخر إلى الفضاء السحيق قرب 3 كلفن، وعلى الإلكترونيات في الداخل أن تبقى ضمن نطاق ضيق. وكثيراً ما تعبّر الفرق العاملة لزبائن أمريكيين أو من تقارير الوحدات الإنجليزية الأقدم عن الأرقام نفسها بدرجات رانكين. ولعملية “حوّل K إلى °R” اضرب في 9/5: فـ300 K هي 540 °R، و273.15 K هي 491.67 °R، و40 K هي 72 °R. تضرب الحاسبة أعلاه وأنت تكتب، وتبيّن الأقسام أدناه ما تعنيه الأرقام لضوء الشمس والمشعّات والأجهزة المبرَّدة والاختبارات الحرارية.

ستجد الصيغة مع أمثلة محلولة، ولمحة قصيرة عن كل مقياس، ومقارنة، ومجموعة طويلة من حالات الطيران الفضائي والزلات التي ينبغي تجنبها. ويجري الحساب في متصفحك، وما تكتبه لا يُرسل إلى أي مكان.

كيف تحوّل K إلى °R: اضرب في 9/5

الصيغة

الصيغة هي °R = K × 9/5، أي K × 1.8. فـ300 K تعطي 540 °R، و373.15 K تعطي 671.67 °R، و5,772 K تعطي 10,389.6 °R. وللعودة اقسم على 1.8. ويبدأ المقياسان كلاهما من الصفر المطلق، فلا إزاحة لتضيفها أو تطرحها.

أمثلة محلولة

النيتروجين السائل عند 77.36 K هو 139.25 °R. والهيليوم السائل عند 4.2 K هو 7.56 °R. ودرجة حرارة الغرفة، 293.15 K، هي 527.67 °R. وحرارة التوازن لكرة على بعد الأرض من الشمس، نحو 278.6 K، هي 501.5 °R.

لماذا ضرب فقط

الكلفن ورانكين كلاهما يبدآن من الصفر المطلق. ويختلفان فقط في حجم الدرجة: الكلفن الواحد 1.8 درجة رانكين، فيؤدي ضرب واحد التحويل.

اختبار سلامة سريع

قيمة رانكين أكبر دائماً بالضبط بنسبة 80 في المئة من قيمة الكلفن. فإذا لم تكن نتيجة عملية “حوّل K إلى °R” 1.8 ضعف المدخل فالمعامل خاطئ.

الكلفن

مقياس علوم الفضاء

الكلفن هو وحدة الحرارة في النظام الدولي، تستعمله وكالات الفضاء في العالم في النماذج الحرارية وخطط الاختبار ومواصفات الأجهزة. ويُكتب K، دون علامة درجة.

أين يظهر

النماذج الحرارية وصحائف بيانات الأجهزة ومواصفات الاختبار وتقارير المهمات.

مقياس رانكين

المقياس المطلق للوحدات الإنجليزية

رانكين حرارة مطلقة بدرجات بحجم درجات الفهرنهايت. ويظهر في وثائق الطيران الفضائي الأمريكية الأقدم وفي الحسابات التي تستعمل أيضاً الأقدام والأرطال والـBtu. ورمزه °R.

أين يظهر

تقارير ناسا الأقدم ومواصفات المتعاقدين بالوحدات الإنجليزية وكتب الديناميكا الحرارية.

الكلفن مقابل رانكين

الكلفن الواحد يساوي 1.8 درجة رانكين. وتأرجح حرارة بمقدار 100 K على سطح قمر اصطناعي هو تأرجح بمقدار 180 °R. والمقياسان مطلقان، فنسب الحرارات متطابقة: 600 K على 300 K هي 2، تماماً كما 1080 °R على 540 °R هي 2.

الضرب دقيق، فلا يظهر تقريب في التحويل. والزلة الوحيدة الشائعة هي الخلط بين رانكين والفهرنهايت.

أين يظهر التحويل

حرارة الشمس على مركبة فضائية

الثابت الشمسي نحو 1,361 W/m²، أي 431 Btu في الساعة للقدم المربعة. ولوح مسطح على بعد الأرض، يواجه الشمس، بامتصاصية وانبعاثية متساويتين ويشع من جانب واحد، يبلغ نحو 394 K، بينما تبلغ الكرة في المتوسط 278.6 K، أي 501.5 °R. وخطوة عملية “حوّل K إلى °R” تحوّل نتائج النموذج إلى وحدات إنجليزية لتقرير زبون.

المشعّات

مشعّ عند 300 K، أي 540 °R، بانبعاثية 0.85 يصدر 390 W/m²، أي 124 Btu في الساعة للقدم المربعة. وعند 330 K، أي 594 °R، يصدر 572 W/m². ويزداد الإشعاع بالقوة الرابعة للحرارة المطلقة، فاختيار المقياس يهم فقط للثابت.

حدود الإلكترونيات

تُؤهَّل الإلكترونيات النموذجية من −40 إلى +85 °C، أي 233.15 إلى 358.15 K، أو 419.7 إلى 644.7 °R. وتفضل البطاريات 273 إلى 313 K، أي 491.7 إلى 563.4 °R. ويتجمد وقود الهيدرازين عند نحو 274.7 K، أي 494.5 °R، فتحتاج الخزانات إلى مدافئ.

تلسكوب جيمس ويب الفضائي

مرآة ويب وبصرياته قرب 40 K، أي 72 °R، وكاشفه تحت الأحمر المتوسط مبرَّد إلى نحو 7 K، أي 12.6 °R. ويُبقي الدرع الشمسي الجانب البارد قرب 36 K، أي 64.8 °R، بينما يبلغ الجانب المواجه للشمس نحو 383 K، أي 689 °R. وفرق نحو 347 K، أي 625 °R، يمتد عبر طبقات الدرع الشمسي.

البطاريات في المدار

تُبقى حزمة ليثيوم-أيون في المدار بين 278 و303 K، أي 500 و545 °R، بالمدافئ والمشعّات. والشحن تحت 273 K، أي 491.7 °R، يخاطر بطلاء الليثيوم. وقد يرى مشغّل مهمة يقرأ القياس عن بعد قيماً بوحدات خام، يحوّلها جدول إلى كلفن ثم إلى °R لتقرير بالوحدات الإنجليزية.

كبسولات العودة

تواجه كبسولة عائدة من القمر حرارات سطح من عدة آلاف من الكلفن. وسطح درع حراري عند 3,000 K هو 5,400 °R، وعند 2,500 K هو 4,500 °R. وعند هذه القيم يكفي الضرب البسيط في 1.8، لأن الإزاحة بين الكلفن ورانكين صفر.

الهوائيات والمستشعرات

تُبرَّد مستقبِلات علم الفلك الراديوي إلى 15 إلى 20 K، أي 27 إلى 36 °R، لخفض الضجيج. وتُذكر حرارة الضجيج، وهي مقياس لجودة المستقبِل، بالكلفن: فنظام بحرارة ضجيج 30 K هو 54 °R. وتذكر الوثائق بالوحدات الإنجليزية الضجيج أحياناً بـ°R، والتحويل يُبقي الأرقام متسقة.

صيغ الجداول الحسابية

ضع قيم الكلفن في العمود A واستعمل =A2*1.8 في العمود B. وللعكس استعمل =B2/1.8. وللفروق تنطبق الصيغة نفسها، إذ لا إزاحة. ووسّم كل عمود بوحدته، واستعمل خانتين عشريتين للقيم القريبة من حرارة الغرفة.

التقريب والدقة

الضرب دقيق. وتحمل النماذج الحرارية غالباً ثلاثة أرقام معنوية، فتصير 278.6 K إلى 501.5 °R، لا 501.480. أبقِ من الخانات بقدر ما يدعمه المصدر. وحين يسرد جدول الوحدتين ضع الأصل أولاً والقيمة المحوَّلة بين قوسين.

اختصار ذهني

ضاعف قيمة الكلفن واطرح عشر الناتج. فلـ300 K: 600 ناقص 60 يعطي 540 °R. ولـ77 K: 154 ناقص 15.4 يعطي 138.6 °R. ولأن 2 ناقص 0.2 هو بالضبط 1.8 فالاختصار دقيق.

معالم للحفظ

4.2 K هي 7.56 °R، و77 K هي 138.6 °R، و273.15 K هي 491.67 °R، و293.15 K هي 527.67 °R، و300 K هي 540 °R، و373.15 K هي 671.67 °R. وهذه القيم الست ترسو عليها معظم مناقشات الحرارة في هندسة الفضاء.

سلّم مرجعي

2.725 K هي 4.9 °R. و20 K هي 36 °R. و100 K هي 180 °R. و233.15 K هي 419.67 °R. و300 K هي 540 °R. و394 K هي 709.2 °R. و1,000 K هي 1,800 °R. و5,772 K هي 10,389.6 °R. وسلّم كهذا يجعل الفحص السريع ممكناً.

الفحص بالعكس

للتحقق من أي نتيجة “حوّل K إلى °R” اقسم على 1.8 وانظر هل تعود إلى البداية. فإذا صارت 300 K إلى 540 °R فإن 540 مقسومة على 1.8 هي 300. واختبار ثانٍ هو النسبة: يجب أن يكون رقم رانكين 1.8 ضعف رقم الكلفن.

العلاقة بالفهرنهايت

رانكين هو الفهرنهايت زائد 459.67، فـ540 °R هي 80.33 °F. وللانتقال من الكلفن إلى الفهرنهايت اضرب في 1.8 واطرح 459.67. وتسرد وثائق الفضاء من المتعاقدين الأمريكيين عادةً الفهرنهايت للمكونات الحارة ورانكين للمعادلات. والتنقل بين الثلاثة مهمة يومية لمهندسي الحرارة.

الوقود المبرَّد

يغلي الأكسجين السائل عند 90.19 K، أي 162.3 °R، والهيدروجين السائل عند 20.28 K، أي 36.5 °R. ويغلي الميثان عند 111.7 K، أي 201 °R. وكثيراً ما تسرد وثائق الإطلاق بالوحدات الإنجليزية حرارات الوقود بـ°R أو °F، ويحوّل المهندسون الذين يقرؤونها الاثنتين إلى كلفن للمقارنة مع البيانات الأوروبية.

فروق الحرارة

فرق 10 K هو فرق 18 °R. وتأرجح 50 K هو 90 °R. ومع غياب الإزاحة بين المقياسين يتحول الفرق تماماً كالقيمة المطلقة. ولهذا تتحول موازنات الحرارة بـΔT ببساطة، بينما تحتاج تلك التي تستعمل الفهرنهايت أو السلسيوس إلى عناية.

كتابة الوحدات على الوجه الصحيح

اكتب الكلفن K، دون علامة درجة، ورانكين °R بعلامة درجة. وضع مسافة بين الرقم والرمز. وفي الوثائق المختلطة وسّم الوحدة على كل عمود. فقيمة مثل 540 قد تكون غرفة برانكين أو جسماً حاراً جداً بالكلفن.

لماذا يبقى رانكين في الطيران الفضائي

تبقى الوحدات الإنجليزية في الطيران الفضائي الأمريكي لأن مجموعة كبيرة من البيانات والعتاد والبرمجيات بُنيت هكذا، من رسومات خزانات الوقود بالبوصات إلى الدفع بالأرطال. ويناسب رانكين مقياساً مطلقاً لهذا العمل. وتستعمل البرامج الأحدث النظام الدولي والكلفن، لكن مهندساً يعمل عبر المشاريع يحتاج إلى الاثنين، وصيغة عملية “حوّل K إلى °R” تستغرق ثواني.

ليالي القمر ومدافئ البقاء

على القمر يدوم الليل نحو 14 يوماً أرضياً، وتهبط حرارات السطح إلى 100 K أو أقل، أي 180 °R. وعلى المركبة الهابطة أن تُبقي البطاريات والإلكترونيات فوق حدودها، حول 273 K، أي 491.7 °R، بمدافئ نظائر مشعة أو طاقة مخزنة. وتخطيط الطاقة اللازمة يعني تكامل الفقد الحراري على فرق الحرارة البالغ نحو 173 K، أي 311 °R، ويُذكر الرقم النهائي بالواط-ساعة أو Btu.

المسابير الكوكبية

يلقى مسبار ينزل إلى الزهرة 737 K، أي 1,327 °R، وضغط 92 بار. ويلقى مسبار إلى تيتان 94 K، أي 169 °R. وتمدد العوازل الحرارية ومواد تغيّر الطور عمر الإلكترونيات ساعات في أماكن كهذه. وتسرد تقارير وكالات الفضاء المختلفة الأرقام نفسها بالكلفن أو السلسيوس أو رانكين، ويتنقل المهندسون بينها بحكم الروتين.

مساعدات الجاذبية والكواكب الباردة

تسافر المهمات إلى الكواكب الخارجية سنوات وتمر بمناطق لا تتجاوز فيها الحرارة المحيطة بضع عشرات من الكلفن. ومسبار قرب زحل، عند نحو 80 K في الظل، أي 144 °R، يحتاج إلى مدافئ نظائر مشعة. وتحدد الطاقة المتبقية في نهاية مهمة كم مدفأة يمكن أن تبقى مشغلة، ويُحَل النموذج الحراري بالكلفن، ثم يُعاد ذكره برانكين في تقرير متعاقد أمريكي.

اختبار البصريات في حرارات مبرَّدة

تُختبر مرايا التلسكوبات في غرف مبرَّدة بالهيليوم إلى 20 K أو أقل، أي 36 °R. ويتغير شكل مرآة من الزجاج أو البريليوم قليلاً بين حرارة الغرفة و40 K، ويقيس المهندسون ذلك التغيير بمقاييس التداخل. وتُذكر النتائج لكل كلفن، وقد يحتاج تقرير اختبار أُعدّ لوكالة أمريكية إلى الأرقام نفسها لكل درجة رانكين، أي أصغر بعامل 1.8.

اختبار الفراغ الحراري

يُدار عتاد المركبات الفضائية بين أقصى الحر والبرد في غرفة فراغ، غالباً من 218 K إلى 398 K، أي 393 °R إلى 717 °R. ويجري اختبار نموذجي من أربع إلى ثماني دورات، بأزمنة مكوث من ساعات عند كل طرف. ويحدد الزبائن الحرارات بوحداتهم، وعملية “حوّل K إلى °R” جزء من مراجعة خطة الاختبار، حتى تتفق الحدود في كل وثيقة.

الأنابيب الحرارية

يعمل أنبوب حراري بالأمونيا بين نحو 213 و373 K، أي 383 إلى 672 °R. ويعمل أنبوب حراري مائي من 293 إلى 473 K. وتنقل الأنابيب الحرارية الحرارة بانخفاض حرارة ضئيل، غالباً 2 أو 3 K، أي 3.6 إلى 5.4 °R. وقد تسرد مواصفات الموردين الأمريكيين النطاقات بـ°F، وجدول مكافئات، بُني بعملية “حوّل K إلى °R” على كل حد، ملحق مفيد.

الأشعة تحت الحمراء للأرض والبياض

تصدر الأرض نحو 237 W/m² أشعة تحت حمراء في المتوسط، أي 75 Btu في الساعة للقدم المربعة، وتعكس نحو 30 في المئة من ضوء الشمس. ويتلقى قمر اصطناعي في مدار منخفض الاثنين. وتعبّر النماذج عن الحرارات بالكلفن، وقد يعيد تقرير لوكالة أمريكية ذكرها برانكين ليشترك تدفق الحرارة والحرارة في نظام الوحدات نفسه.

العزل متعدد الطبقات

يستطيع العزل متعدد الطبقات، الأغطية ذات اللون الذهبي على المركبات الفضائية، خفض انتقال الحرارة بالإشعاع بعامل من 10 إلى 100. وبين داخل عند 300 K، أي 540 °R، وخارج عند 100 K، أي 180 °R، يمرر غطاء بانبعاثية فعالة 0.01 نحو 4.5 W/m²، مقارنة بـ45 W/m² عبر سطح عار بانبعاثية 0.1. والفرق دراماتيكي في أي من المقياسين، وعملية “حوّل K إلى °R” على كل حرارة حد تغذي النسخة بالوحدات الإنجليزية من التقدير نفسه.

التمدد الحراري

يتمدد الألمنيوم بنحو 23 جزءاً في المليون لكل كلفن، أي 12.8 في المليون لكل درجة رانكين. وهيكل بطول 2 m يسخن بمقدار 100 K، أي 180 °R، ينمو بمقدار 4.6 mm. وتُصنع المقاعد البصرية من مواد قليلة التمدد حتى تنجو المحاذاة من تغييرات كهذه، والمواصفات لكل كلفن أو لكل °F بالمعامل نفسه 1.8.

السعة الحرارية لأجزاء المركبات الفضائية

للألمنيوم حرارة نوعية 0.90 kJ/(kg·K)، أي 0.215 Btu/(lb·°R). وتسخين لوح ألمنيوم 100 kg بمقدار 10 K، أي 18 °R، يتطلب 900 kJ، أي 853 Btu. والمعامل بين kJ/(kg·K) وBtu/(lb·°R) هو 4.1868، بينما ينطبق المعامل 1.8 على تغير الحرارة فقط. والخلط بينهما خطأ كلاسيكي.

الألواح الشمسية والحرارة

قد يتراوح لوح شمسي في المدار من 150 K في الكسوف، أي 270 °R، إلى 380 K في ضوء الشمس، أي 684 °R. وتفقد الخلايا السليكونية كفاءة بالحرارة، نحو 0.4 في المئة لكل كلفن، أي 0.22 في المئة لكل درجة رانكين. وعند 340 K، أي 612 °R، وهي أسخن بـ40 K من المرجع 300 K، يبلغ الفقد نحو 16 في المئة. وتُستعمل عملية “حوّل K إلى °R” لوضع ورقة البيانات بالمقياس الصحيح.

مزيد من القيم لتحويل K إلى °R

قائمة أطول من التحويلات

إذا لم تكن القيمة التي تحتاج إليها في القائمة الأولى فقد تكون هذه التحويلات الإضافية قريبة بما يكفي لقراءتها مباشرة:

• -273.15 K = -491.67 °R
• -100 K = -180 °R
• -20 K = -36 °R
• 10 K = 18 °R
• 15 K = 27 °R
• 25 K = 45 °R
• 30 K = 54 °R
• 50 K = 90 °R

زلات شائعة عند تحويل K إلى °R

إضافة إزاحة

الكلفن ورانكين يبدآن من النقطة نفسها. لا تضف 459.67 أو 273.15. فـ300 K هي 540 °R.

الخلط بين رانكين والفهرنهايت

الدرجات بالحجم نفسه لكن الأصفار تختلف. فـ540 °R هي 80.33 °F، لا 540 °F.

تطبيق 1.8 على كمية خاطئة

ينطبق المعامل 1.8 على الحرارات. أما الحرارة النوعية فتستعمل 4.1868، وتدفق الحرارة 0.317، فلكل كمية معاملها.

أسئلة موجزة

ما طريقة عملية “حوّل K إلى °R”؟

اضرب قيمة الكلفن في 1.8.

كم 300 K بدرجات رانكين؟

540 °R.

كم 273.15 K بدرجات رانكين؟

491.67 °R.

كم 0 K بدرجات رانكين؟

0 °R.

هل يُخزَّن رقمي أو يُرسل؟

لا، يبقى على جهازك.

إلى أين تذهب بعد ذلك

محوّلات الحرارة الأخرى مدرجة هنا: حوّل K إلى °C وحوّل K إلى °F وحوّل °C إلى °R وحوّل °F إلى °R وحوّل °R إلى °C وحوّل km إلى mi وحوّل mi إلى km وحوّل L إلى gal وحوّل gal إلى L. وإن احتجت إلى الاتجاه المعاكس فاستعمل حوّل °R إلى K.

الخلاصة: عملية “حوّل K إلى °R” تضرب في 1.8 وتوسم النتيجة °R. والرقم الذي تدخله يُعالج على جهازك فقط.