فشار

• دید کلی :
• تعریف فشار:
• مفهوم فشار:
• یکای فشار:
• نحوه اندازه گیری فشار:
• مباحث مرتبط با عنوان:

دید کلی :

• آیا میدانید پاشنه نوک تیز کفش به کف اتاق آسیب میرساند ؟

• آیا میدانید چرا کفش اسکی در برف سر نمیخورد ؟

• آیا تا به حال با کفش ورزشی میخ دار روی برف راه رفته اید ؟

• آیا تابه حال از خود پرسیدهاید که چرا جاقو دست را میبرد ؟

• چرا کفش معمولی به زمین آسیب نمیرساند ؟

اینها همه پدیدههایی هستند که مفهوم فشار در آنها نهفته است وبه نوعی آن را بیان میکنند.




تعریف فشار:


فشار عبارتست از نیروی وارده بر واحد سطح که با علامت اختصاری p نشان میدهند. این کمیت در گازها نقش عمده را ایفا میکند زیرا یکی از کمیات مشخصه گاز میباشد، از این رو بیشتر قوانین فشار در گازها نهفته شده و به دست آوردن معادله حالت گاز به کار برده میشود.




مفهوم فشار:

• اثر نیرو بر روی یک سطح بستگی دارد که نیرو چگونه اعمال شود. شخصی که کفش ورزشی میخ دار پوشیده. میخ کفشهایش در زمین فرو میرود در صورتیکه کفش معمولی بر زمین آسیب نمیرساند. نکته قابل توجه این است که در هر دو مورد نیرویی که بر سطح وارد میشود یکسان بوده و همان نیروی وزن اوست. اختلاف میان این دو حالت در این است که کفش ورزشی نیرو را بر سطح کوچکی وارد میکند.
  
  میخ کفشها مقدار نیروی کل را تغییر نمیدهد ، بلکه نیرو بر واحد سطح را به شدت افزایش میدهد. که کمیت نیروی وارد بر واحد سطح نیز فشار نام دارد. به زبان ریاضی فشار بصورت زیر بیان میشود:

P=F/A که در آن P فشار ، F نیرو و A سطح مقطع اثر نیرو میباشد.

• اسکیبازان موقع اسکی کفش اسکی میپوشند زیرا دارای سطح مقطع بزرگتری است و فشار وارد بر سطح را کاهش میدهد.

چاقو به خاطر سطح مقطع بسیار کوچک تماس با اجسام (مثلا دست) در اثر اعمال مقدار نیروی هر چند ناچیز ، نیروی واحد سطح (فشار) بزرگتری را ایجاد کرده و سبب برش اجسام میشود.




یکای فشار:


فشاربا یکاهای مختلفی بیان میشود. یکای استاندارد ما در دستگاه SI پاسکال میباشد که برابر(1Pa=1N/m2) میباشد. یک پاسکال برابر مقدار یک نیوتن نیروست که بر یک متر مربع سطح جسمی وارد میگردد. بهترین یکایی که میتواند مرجعی برای سایر یکاها به کار برده شود اتمسفر یا جو (Atmospher ) است که به صورت فشار متوسط هوا در سطح دریا تعریف میشود.

چون پاسکال یکای کوچکی برای فشار است معمولا از کیلو پاسکال(kpa) که برابر 1000 پاسکال است، استفاده میکنند. هر جو تقریبا برابر 100 kpa است. هواشناسان ازواحد میلی بار استفاده میکنند که برابر یک دهم پاسکال است. از سایر واحدهای فشار میتوان دین بر سانتیمتر مربع (dyn/cm2) یا torr را نام برد.

چون در اندازه گیری فشار در لوله U شکل از طول سنجی مایع جیوه به فشار سنجی پی می برند، واحد سانتیمتر جیوه (cmHg) نیز برای کمیت فشار به غلط مرسوم شده است.




نحوه اندازه گیری فشار:


فشار را به کمک دستگاههای فشار سنج اندازه میگیرند عمدهترین فشار سنجها که بر حسب مکانیزم کارشناسان نام گذاری شده است عبارتند از:

• فشارسنج لوله U شکل
• فشار سنج مکلئود
• فشار سنج جیوهای
• فشار سنج ترموکوپل
• فشارسنج صوتی
• فشار سنج خازنی
• فشارسنج گازایدهآل

ساده ترین و معروترین آنها فشار سنج لوله U شکل است که در آن مقداری جیوه در لوله U شکل ریخته شده و میزان اختلاف فشار محیط (هواکه برابر p0 است) و ماده د اخل فشارسنج که بر مایع جیوه فشار وارد میکند ازطریق اختلاف ارتفاع ستون مایع جیوه اندازه گیری میشود. بنابراین از این طریق فشار واقعی را میتوانیم به دست آوریم: « P=P0+ρg(h-h0)
در رابطه اخیر P فشار و ρ چگالی ماده و P0 فشار اتمسفر ، h0 ارتفاع ستون مایع در فشار اتمسفر ، g شتاب جاذبه وh ارتفاع ستون مایع در فشار ماده میباشد.

فشار جو


فشار به عنوان نیرو بر واحد سطح تعریف می شود. فشار یک گاز برابر با نیرویی است که گاز به واحد سطح جدا از ظرف خود وارد می کند. واحد نیرو در SI ، اسحاق نیوتن است و واحد فشار یک واحد فرعی SI است که یک اسحاق نیوتن بر متر مربع می باشد که در کنفرانس عمومی اوزان و مقادیر ، نام پاسکال بر آن پذیرفته شد. ولی شیمیدانها معمولا فشار گاز را در ارتباط با فشار جو اندازه گیری می کنند.

اتمسفر (یا جو) بر سطح زمین فشار وارد می کند. دستگاهی که برای اندازه گیری فشار جو به کار می رود هواسنج نامیده می شود.این دستگاه اولین بار بوسیله اوان جلیستاتوریچلی ، شاگرد گالیله، اختراع شد. برای تهیه این دستگاه ، لوله طویلی را که یک طرف آن مسدود است از جیوه پر می کنیم و آن را واژگون در یک ظرف جیوه در باز قرار می دهیم. اگر لوله به قدر کافی بلند باشد، جیوه در لوله پایین می آید ولی از آن کاملا خارج نمی شود. فشار جو که بر سطح جیوه درون ظرف وارد می شود، ستونی از جیوه را داخل لوله نگه می دارد.بر سطح بالای جیوه درون لوله عملا فشاری وارد نمی شود و چون جیوه در دمای معمولی چندان فرار نیست، مقدار بخار جیوه در فضای بالای جیوه مایع درون لوله اندک است و هوای آن نیز خارج شده است. خلائی که به این ترتیب حاصل می شود، خلاءتوریچلی نامیده می شود. بنابراین ، فشار درون لوله بالاتر از سطح مرجع ، تنها مربوط به وزن ستون جیوه است. این فشار برابر فشار جو است که خارج لوله و بالای سطح مرجع وجود دارد.

ارتفاع جیوه درون لوله به عنوان میزانی از فشار جو به کار می رود. گفتیم که فشار عبارت از نیرویی است که بر واحد سطح وارد می شود. بنابراین ، سطح مقطع لوله خواه نسبتا بزرگ و خواه کوچک باشد، یک فشار جو معین، جیوه درون لوله را در یک ارتفاع نگه می دارد.

وقتی که فشار عادی جو در سطح دریا اندازه گیری می شود ارتفاع ستون جیوه 76 سانتی متر ، یا 760 میلی متر خواهد بود. اتمسفر استاندارد(atm) در ابتدا بر حسب این شرایط تعریف شده است. تور (torr که از نام توریچلی گرفته شده) فشار هم ارز 1 میلی متر جیوه است و 1atm برابر 760 تور است.اتمسفر استاندارد امروزه به صورت فشاری برابر با pa101325 تعریف می شود و کمیته بین المللی اوزان و مقادیر توصیه می کند که از تور استفاده نشود. در برخی موارد آسانتر آن است که میلی متر جیوه یا تور به کار برده شود (که در صورت لزوم باید به اتمسفر تبدیل گردد). مثلا ، فشار بخار مایعات معمولا بر حسب میلی متر جیوه ،یا تور ثبت می شود. یه طور کلی ، فشارهای پایین بر حسب واحد کوچک فشار مانند تور، آسانتر بیان می شوند. همچنین وقتی که فشار گاز به وسیله هواسنج اندازه گیری می شود، استفاده از میلی متر جیوه ، یا تور ، آسانتر است.

فشار سنج که وسیله ای برای اندازه گیری فشار نمونه ای از گاز است، پس از هواسنج ساخته شده است. بازوی راست فشار سنج باز و مرتبط با جو است. بنابران، بر سطح جیوه در این بازو فشار جو وارد می شود. بازوی سمت چپ به یک محفظه گاز متصل است که از طریق آن، فشار نمونه گاز بر جیوه وارد می شود. چون سطح جیوه در بازوی چپ پایین تر از سطح آن در بازوی راست است، بنابراین، این حالت بیانگر آن است که در آن ، فشار گاز بیشتر از فشار جو است. اگر فشار گاز برابر فشار جو باشد، سطح جیوه در هر دو بازوی لوله U شکل، یکسان خواهد بود. در آزمایش مربوطه ، تفاوت ارتفاع بین دو سطح جیوه (بر حسب mm جیوه) باید به فشار جو (بر حسب میلی متر جیوه،یا تور) اضافه شود تا فشار گاز (بر حسب میلی متر جیوه، یا تور) به دست آید. این فشار کل را با تقسیم آن به 760، می توان به اتمسفر تبدیل کرد. اگر فشار گاز کمتر از فشار جو باشد، جیوه در بازوی چپ بالاتر از بازوی راست خواهد ایستاد. در این صورت باید تفاوت ارتفاع را از فشار جو کم کنیم.