فشار

فشار یک کمیت نرده‌ای است که به صورت نیرو بر واحد سطح تعریف می‌شود. یکای فشار در دستگاه بین‌المللی یکاها پاسکال است. یک پاسکال برابر یک نیوتون بر مترمربع (N/m²) است. فشار گِیج، فشاری است که معمولاً در فشارسنج‌ها نشان داده می‌شود و مقدار آن نسبت به فشار محیط سنجیده می‌شود.

مکانیک محیط‌های پیوسته
قوانین
پایستگی‌ها
نابرابری‌ها
  • Clausius–Duhem (entropy)
مکانیک جامدات
مکانیک سیالات
سیال‌ها
مایع
گاز
پلاسما
رئولوژی
Smart fluid
دانشمندان

برای بیان فشار از واحدهای متنوعی استفاده می‌شود. پاسکال، پوند بر اینچ مربع، میلیمتر ستون آب، اینچ جیوه، بار و اتمسفر برخی از واحدهای استفاده شده برای بیان فشار است.

تعریف

فشار به صورت میزان نیروی عمودی وارد بر سطح واحد تعریف می‌شود و با نماد p یا P نمایش داده می‌شود.[1] فشار به صورت ریاضی به شکل زیر تعریف می‌شود:

که در آن F اندازه نیروی عمودی و A مساحتی است که نیرو بر آن اعمال می‌شود. فشار یک کمیت اسکالر یا نرده ای است. با اینکه این جمله کاملاً مصطلح است اما گفتن این جمله که «فشار در این جهت اعمال می‌شود» غلط است چرا که فشار به عنوان یک کمیت نرده ای فاقد جهت است. نیروی اعمال شده دارای جهت است اما فشار فاقد جهت می‌باشد.

یکاهای فشار

یکای کنونیِ فشار در دستگاه بین‌المللی یکاها، پاسکال است که با نماد "Pa" نشان داده می‌شود. یک پاسکال برابر با نیروی یک نیوتون وارد بر سطح یک مترمربع است:[2]

یکاهای دیگری نیز برای اندازه‌گیری فشار به‌کار می‌روند:

  • اتمسفر: یکایی است که معمولاً برای اندازه‌گیری فشار هوا و سیالات به‌کار می‌رود.یک اتمسفر تغریبا برابر 100000 پاسکال است یک اتمسفر برابر با فشار ناشی از ستون آب به ارتفاع ده متر است.[3]
  • بار: یکای اندازه‌گیری فشار متریک است ولی یکایی مورد تأیید دستگاه بین‌المللی یکاها نیست. هر بار دقیقاً برابر با ۱۰۰۰۰۰ پاسکال است.
  • میلی‌متر جیوه: این یکا نشان‌دهندهٔ فشار ناشی از ستون جیوه به ارتفاع یک میلی‌متر است. در فشارسنج جیوه‌ای میزان فشار با اندازه‌گیری ارتفاع ستون جیوه در لوله یا اختلاف دو ستون جیوه در دو لولهٔ مرتبط به‌دست می‌آید.

در نشان دادن فشار خون از این یکا استفاده می‌شود.

  • متر آب: یکایی است که برای محاسبهٔ فشار در مکانیک سیالات به‌کار می‌رود و فشار معادل با یک ستون آب به ارتفاع یک متر است.[4][5]
واحدهای فشار
 
پاسکال
(Pa)
بار
(bar)		 اتمسفر فنی
(at)
اتمسفر
(atm)
تور
(Torr)		 پوند
بر اینچ مربع
(psi)
1 Pa ≡ 1 N/m2 10−5 1.0197×10−5 9.8692×10−6 7.5006×10−3 145.04×10−6
1 bar 100,000 ≡ 106 dyn/cm2 1.0197 0.98692 750.06 14.504
1 at 98,066.5 0.980665 ≡ 1 kgf/cm2 0.96784 735.56 14.223
1 atm 101,325 1.01325 1.0332 ≡ 1 atm 760 14.696
1 torr 133.322 1.3332×10−3 1.3595×10−3 1.3158×10−3 ≡ 1 Torr; ≈ 1 mmHg 19.337×10−3
1 psi 6,894.76 68.948×10−3 70.307×10−3 68.046×10−3 51.715 ≡ 1 lbf/in2

مثال:  ۱Pa = ۱ N/m۲  = ۱۰−۵ bar  = ۱۰/۱۹۷×۱۰−۶ at  = ۹/۸۶۹۲×۱۰−۶ atm
یادآوری:  mmHg نماد میلی‌متر جیوه است.

اندازه‌گیری فشار

روش‌های گوناگونی برای اندازه‌گیری فشار به‌کار می‌رود. هواسنج و فشارسنج جیوه‌ای با اندازه‌گیری ارتفاع ستون جیوه کار می‌کنند.[6] فشارسنج‌های مکانیکی (بدون سیال) و حسگرهای الکترونیکی نیز برای اندازه‌گیری فشار، به‌ویژه فشار وارد بر جامدات، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فشارسنج جیوه‌ای

انواع فشار
  1. فشار مطلق: به مجموع فشار وارد بر یک سطح گفته می‌شود.
  2. فشار نسبی: فشار نسبی یا فشار مانومتریک فشاری سنجیده شده نسبت به فشار محیط است . به عبارتی فشار نسبی که فشار گیج نیز خوانده می‌شود برابر است با فشار مطلق محفظه منهای فشار اتمسفر.
  3. فشار خلأ: هر فشاری که کمتر از فشار اتمسفر باشد. در نتیجه در مقیاس فشار مطلق، فشاری منفی وجود ندارد و کمترین فشار مطلق ممکن از لحاظ تئوری فشار صفر است.
  4. فشار بخار: فشار بخار، فشار بخاری است که در تعادل ترمودینامیکی با فاز مایع آن ماده در یک سیستم بسته قرار دارد.
  5. فشار جزئی گازها: فشاری است که در مخلوطی از گازها، در همان دما اگر هر گاز به تنهایی در ظرف وجود داشت اعمال می‌کرد.

رابطه‌های فشار

رابطه فشار هوای اتمسفر با ارتفاع

هرچه از سطح زمین در لایه تروپوسفر به سمت لایه‌های بالاتر ارتفاع می‌گیریم، دمای هوا کاهش و در نتیجه فشار هوا نیز کم می‌شود. در بعضی از قانون‌های فشار ذکر شده‌است که با سرد شدن هوا، فشار نیز بیشتر می‌شود؛ این قانون در سطح زمین است ولی اگر هرچه در لایه تروپوسفر از زمین فاصله بگیریم، به دلیل کاهش جاذبه، هوا رقیق‌تر و چگالی آن کم می‌شود؛ وقتی که هوا رقیق‌تر شود یعنی مولکول‌های هوا در آنجا زیاد نیست و در نتیجه فشار نیز کم است. این قانون بیشتر در قله کوه‌ها یا پرواز هواپیما در ارتفاع زیاد، به کار می‌رود.

رابطه فشار با دما

هرچه دما در یک اتاق یا محیطی بیشتر شود، فشار نیز همانقدر بیشتر می‌شود و هرچه دما در یک اتاق یا محیطی کم شود، فشار نیز همانقدر کمتر می‌شود.

اصل پاسکال

مایعی که درون ظرفی محصور و بسته‌است، هنگامی که به یک طرف ظرف فشار و نیرو وارد می‌کنیم، این فشار و نیرو در تمام نقاط مایع یکسان است بدون آن که فشار یا نیرو در نقاط دیگر مایع کاسته شود؛ این پدیده را اصل پاسکال می‌گویند. اصل پاسکال در جک‌های هیدرولیکی، ترمزهای هیدرولیکی و … به کار می‌رود.

جستارهای وابسته

منابع
  1. Giancoli, Douglas G. (2004). Physics: principles with applications. Upper Saddle River, N.J.: Pearson Education. ISBN 978-0-13-060620-4.
  2. مورتیمر، شیمی عمومی ۱، ۱۳۹.
  3. مورتیمر، شیمی عمومی ۱، ۱۳۹.
  4. حسینی و ابریشمی، هیدرولیک کانال‌های باز، ص۱۸.
  5. علیزاده، اصول هیدرولوژی کاربردی، ص۳۵۶.
  6. مورتیمر، شیمی عمومی ۱، صص۱۳۹–۱۴۰.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.