هر آنچه درباره فشار باید بدانید!
فشار چیست؟
آیا می دانید پاشنه نوک تیز کفش به کف اتاق آسیب می رساند؟
آیا می دانید چرا کفش اسکی در برف سر نمی خورد؟
آیا تا به حال با کفش ورزشی میخ دار روی برف راه رفته اید؟
آیا تابه حال از خود پرسیده اید که چرا چاقو دست را می برد؟
چرا کفش معمولی به زمین آسیب نمی رساند؟
اینها همه پدیده هایی هستند که مفهوم فشار در آنها نهفته است و به نوعی آن را بیان می کنند.
تعریف فشار:
فشار عبارت است از نیروی وارده بر واحد سطح که با علامت اختصاری p نشان می دهند. این کمیت در گازها نقش عمده را ایفا می کند زیرا یکی از کمیات مشخصه گاز می باشد، از این رو بیشتر قوانین فشار در گازها نهفته شده و به دست آوردن معادله حالت گاز به کار برده می شود.
مفهوم فشار:
اثر نیرو بر روی یک سطح بستگی دارد که نیرو چگونه اعمال شود. شخصی که کفش ورزشی میخ دار پوشیده، میخ کفش هایش در زمین فرو می رود در صورتیکه کفش معمولی بر زمین آسیب نمی رساند. نکته قابل توجه این است که در هر دو مورد نیرویی که بر سطح وارد می شود یکسان بوده و همان نیروی وزن اوست. اختلاف میان این دو حالت در این است که کفش ورزشی نیرو را بر سطح کوچکی وارد می کند.
میخ کفش ها مقدار نیروی کل را تغییر نمی دهد، بلکه نیرو بر واحد سطح را به شدت افزایش می دهد که کمیت نیروی وارد بر واحد سطح نیز فشار نام دارد. به زبان ریاضی فشار به صورت زیر بیان می شود:
P=F/A که در آن P فشار ، F نیرو و A سطح مقطع اثر نیرو می باشد.
اسکی بازان موقع اسکی کفش اسکی می پوشند، زیرا دارای سطح مقطع بزرگتری است و فشار وارد بر سطح را کاهش می دهد.
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 می شود.
یکای فشار:
فشار با یکاهای مختلفی بیان می شود. یکای استاندارد ما در دستگاه SI پاسکال می باشد که برابر (1Pa=1N/m2) می باشد. یک پاسکال برابر مقدار یک نیوتن نیروست که بر یک متر مربع سطح جسمی وارد می گردد. بهترین یکایی که می تواند مرجعی برای سایر یکاها به کار برده شود، اتمسفر یا جو (Atmospher ) است که به صورت فشار متوسط هوا در سطح دریا تعریف می شود.
چون پاسکال یکای کوچکی برای فشار است، معمولا از کیلو پاسکال (kpa) که برابر 1000 پاسکال است، استفاده می کنند. هر جو تقریبا برابر 100 kpa است. هواشناسان از واحد میلی بار استفاده می کنند که برابر یک دهم پاسکال است. از سایر واحدهای فشار می توان 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 دستگاه های فشار سنج اندازه می گیرند عمده ترین فشار سنج ها 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 معروف ترین 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 ارتفاع ستون مایع در فشار ماده میباشد.
مایع:
فشار مایع در یک عمق معین در همه جهت‌ها یکسان است: یک مایع تحت فشار به کلیه سطوحی که در تماس با مایع است فشار وارد میکند و شکل سطحی که با مایع در تماس است در اندازه فشار نقشی ندارد.
فشار با افزایش عمق زیاد میشود: با افزایش عمق یک مایع، مقدار فشار نیز افزایش می‌یابد، زیرا وزن ستون مایع بالای سطح مورد نظر افزایش می‌یابد. به همین دلیل ضخامت دیواره سدها در بخش پائینی آن را خیلی بیشتر از بخش بالایی آن می‌گیرند تا بتواند فشار بیشتری را تحمل کند.
فـشار بـه شـکل ظـرف محتوی آن بستگی ندارد: اگر یک مایع را در چند ظرف با اشکال مختلف وارد کنیم مشاهده میشود که فشار آن در نقاط هم ارتفاع علی رغم تفاوت در شکل ظرفها یکسان است.
فشار بخار مایعات
فشار بخار به صورت فشار جزئی اعمال شده توسط بخار بالای سطح مایع تعریف می شود که این بخار در یک دمای معینی با مایع به تعادل می رسد.
در تصویر 1a و 1b، حالات مایع و بخار یک ماده ی معین نشان داده شده است. در این اشکال مولکول های منفرد یا اجزاء در یک لحظه ی خاص با حرکت تصادفی شان نشان داده شده اند. زمانی که لحظه ی تعادل نزدیک می شود( تصویر 1c )، تعداد مولکول های بخار شده با تعداد مولکول های متراکم شده برابر می شود. در واقع سرعت تبخیر با سرعت تراکم برابر می گردد و فشار خوانده شده روی مانومتر M ، فشار بخار آن مایع در آن دماست.
در کل فشار بخار یک مایع به دو فاکتور زیر بستگی دارد:
- ماهیت و طبیعت مایع
- دمای مایع
ماهیت مایع: مایعاتی که دارای نیروهای بین مولکولی ضعیفی هستند، فرارترند و فشار بخار بالاتری دارند. برای مثال، فشار بخار اتیل الکل بیشتر از فشار بخار آب است.
دمای مایع فشار بخار با افزایش دما، افزایش می یابد. این مسئله بدین علت است که با افزایش دما، سرعت تبخیر نیز افزایش می یابد.
جهت یادگیری بیشتر در مورد فشار بخار مایعات می توانید آزمایش زیر را انجام دهید.
