فشار و فشار گازها
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 گازمیباشد، 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.
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 اتمسفریاجو (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 هوا
اولين بار در قرن هفدهم «توريچلي» ثابت نمود كه هوا داراي وزن است و با اعلام وزن و فشار هوا فشارسنج جيوهاي خود را در سال هزار و ششصد چهل دو اختراع نمود.
واحد فشار هوا : امروزه متداول ترين واحد مورد استعمال در مورد فشار اتمسفر ميلي بار است فشار آتمسفر در 45 درجه عرض جغرافيايي و در هواي صفر درجه و در ارتفاع سطح دريا فشار بهنجار (Normalpressure) ناميده ميشود و ميزان آن برابر هزار و سیزده ميلي بار (هفصد و شصد ميليمتر جيوه و دو بیست و نه صدم اينچ ستون جيوه) ميباشد فشارهاي بيشتر از اين را فشار زياد و فشار كمتر را فشار كم ميگويند.
تغييرات قائم فشار جو : فشار جو با افزايش ارتفاع كاهش يافته و در ارتفاع پنج هزار متري به ميزان نصف فشار سطح دريا ميرسد.
| ||||||||||||||||||||||||||||||
فشار اتمسفر به نسبت ارتفاع از سطح زمين كم ميشود ولي هيچگونه رابطه سادهايي بين تغييرات فشار و ارتفاع وجود ندارد. به طور تقريبي ميتوان گفت كه فشار هوا در هر دویست و پنجاه و هفت متر ارتفاع به نسبت تصاعد هندسي با قدرمطلق يك سيام كاهش مييابد. بدين ترتيب فشار جو در ارتفاع دویست و پنجاه و هفت متري بالاي زمين بيستونه سيام فشار در سطح دريا و در ارتفاع پانصدوپنجاه متري بيست و هشت سيام فشار در ارتفاع دویست وهفتاد وپنج متري است.
فشار اتمسفر با چگالي هوا ارتباط نزديك دارد به اين جهت به نسبت ازدياد ارتفاع، فشار با آهنگ سريعتري كاهش مييابد از طرفي ديگر چگالي هوا ارتباط نزديكي با درجه حرارت دارد و نتيجه ارتباط فشار هوا و درجه حرارت واضح است.
فشار هوا با نيروي جاذبه زمين نيز ارتباط دارد.
پراكندگي افقي فشار هوا : عرض جغرافياييـ پراكندگي درياها و خشكيها و اختلاف درجه حرارت نواحي مختلف كره زمين از عواملي هستند كه در پراكندگي افقي فشار اثر ميگذارند.
سيستم ناوه (Trough) : سيستم ناوه منطقهاي كشيده و طويل از يك دستگاه جوي كم فشار است كه در امتداد خط ناوه كمترين فشار وجود دارد در اين سيستم هواي ابري و توأم بارندگيهاي شديد و طولاني و همراه با گرد و خاك و يا تگرگ ميباشد. معمولاً در سيستمهاي فشار كم و ناوه به علت تجمع ذرات در سطح زمين و صعود تودههاي هوا و در اثر عمل انبساط و سرد شدن، مقدار بخار آب موجود در هوا به حد اشباع و تراكم رسيده و تشكيل ابر و بالنتيجه تشكيل پديدههاي جوي از قبيل بارانـ برفـ بارانيخزدهـ تگرگ و غيره ميدهد.
سيستم پشته (Ridge) : منطقهايي طويل و كشيده از يك دستگاه جوي پرفشاري است كه در امتداد خط پشته بيشترين فشار جو وجود دارد. در اين سيستم به علت فرونشيني يعني نزول تودههاي هوا از سطح بالاي جو به سطح زميني هوا گرم شده و در صورتي كه ابري وجود داشته باشد تبخير گرديده و هوا صاف ميشود. به اين جهت است كه مناطق تحت نفوذ چنين سيستمهايي داراي اقليم خشك و بياباني است.
كمربدهاي فشار در جهان ( Planetary Pressure Belts) : آرامگانهاي استواييـ پرفشارهاي جنب حاره (عرضهاي اسب)ـ كمربندهاي كمفشار جنب قطبيـ كلاهك پرفشار قطبي.
. منبع:کارگاه هواشناسی
بلز پاسکال (Blaise Pascal) ریاضیدان، فیلسوف و فیزیکدان فرانسوی ۱۹ ژوئن ۱۶۲۳ در کلرمون واقع در مرکز فرانسه به دنیا آمد. کسی که او را «پاک ترین موجود جهان» نامیده اند. پدرش ریاست اداره مالیات کلرمون را به عهده داشت. خواهرش ژیلبرت زندگی نامة او را نوشت و خواهر دیگرش ژاکلین او را به صومعه کشانید تا خودش را وقف کلیسا کند و در واقع موجب مرگ او و بی بهره شدن جهان دانش از وجود یک نابغه شد. بلز پاسکال در محیطی ثروتمند پرورش یافت پدر او بازرگانی متمول و جز اشراف بود زمانی که او سه ساله بود مادرش فوت کرد پدرش به تحصیل او توجه داشت و از آن موقع برای او معلم سر خانه گرفت پدر پاسکال تصمیم گرفت تا کتابهای مربوط به هندسه را تا ۱۵ سالگی پاسکال دور از دسترس او قرار دهد تا پسرش بتواند توجه خود را بر موضوعهای دیگر متمرکز کند با این وجود او از ۱۲ سالگی در اوقات فراغا به طور مخفیانه به مطالعه هندسه می پرداخت.
پدرش به خاطر تحصیل او، از کار خود استعفا کرد و خانواده را به پاریس آورد (۱۶۳۹) در بیست و پنج سالگی فعالیت های علمی خود را رها کرد و به دیر «ژان سنیست ها» رفت چرا که «ژان سن» معتقد بود «دانش یک شهود روانی است شبیه اشتهای جسمی» و این همان پاسکال است که زمانی به شوهر خواهرش نوشته بود :«... گمان نمی کنم ناچار باشیم اندیشه ها و حکم هایی را که از گذشته به ما رسیده است، بپذیریم، مگر آنکه استدلالی منطقی و بی تردید داشته باشند و به نظر من نهایت ضعف و نادانی است که به حقیقت های روشن ومسلم گردن ننهیم و به اندیشه های کهنه خود باور داشته باشیم.»
پاسکال در ۱۲ سالگی بسیاری از قضیه های هندسه اقلیدسی را پیش خود اثبات کرد. در ۱۶ سالگی قضیه ای از هندسه تصویری را کشف کرد (قضیه پاسکال)، در همان سال کتاب «مقاطع مخروطی» را نوشت. در سال ۱۶۳۹ پدر پاسکال مامور جمع آوری مالیات در منطقه نرماندی علیا شد. پاسکال برای کمک به ماموریت پدر یک دستگاه ماشین حساب مکانیکی ساخت که در نوع خود اولین نمونه بود او در این زمان ۱۸ سال داشت. به جز آن کشف هایی در «تعادل آب گون ها» ، «فشار هوا» و غیر آن دارد. او کارهای مهمی در هیدروستاتیک (که به همین سبب واحد فشار، پاسکال نامیده میشود) انجام داد و بحثهایش با فرما در مورد مساله دومره نظریه احتمال را بنا نهاد.
اولین ماشین حساب ساخته شده توسط پاسکال در سن ۱۸ سالگی که آنرا پاسکالین نام نهاد. پاسکال این وسیله را برای کمک به کار پدر ساخت.
پاسکال قاطعانه بر این باور بود که تجربه نسبت به استدلال تنها ارزش بیشتری دارد. آزمایشهای او نشان داد که بالا رفتن مایع در یک فشار سنج نه به دلیل کشش خلا در بالای لوله بلکه به دلیل فشار هواست. در سال ۱۵۴۸ او اصل پاسکال را ثابت کرد که بنا برآن هر سیالی که در ظرفی فرار گیرد فشار را در تمام جهتها به طور یکسان منتقل می کند و این فشار همواره بر سطوح تماس عمود است.
مثلث پاسکال یا نمودار ضریب دو جمله ای، از آن او نبوداما وی آن را در محاسبه های احتمالش به کار برد. پاسکال در کار مربوط به یافتن مساحتهای اشکال منحنی الخط نیز شرکت داشت،کاری که منجر به حساب دیفرانسیل و انتگرال شد.
در کلیسا وقتی در ۱۶۶۸ به درد دندان مبتلا شد، برای نجات از درد به ریاضیات پناه برد و در ۸ روز کتابی درباره انتگرال ها و دیگر کشف های خودش نوشت (در سال ۱۶۵۹ رساله ای درباره محاسبات دیفرانسیلی نوشته بود).
درخششی که در اثر او موسوم به نامه های ولایتی (۱۶۵۶) وجود دارد نشاندهنده دوران جدیدی از نثر فرانسوی است. مشهورترین اثر فلسفی پاسکال کتاب اندیشه هاست که مجموعه ای از اندیشه های شخصی او در مورد رنج و ایمان انسان است این ککتاب در سال ۱۶۵۸ منتشر شد او می توانست با سناد به سر درد و شکم دردهایی که همیشه او را رنج می داد از درد و رنج انسان چیزهایی بنویسد اندیشه ها هرگز خاتمه نیافت و روش درست تکمیل این یادداشتها عامل محرک بحثهای فلسفی تاکنون بوده است.
پاسکال شاید به دلیل زخم بدخیم معده در ۳۹ سالگی در سال ۱۶۶۲ فوت کرد. اما با وجود زندگی کوتاه آثار بسیاری در زمینه های گوناگون فیزیک ریاضی هندسه و ادبیات مسیحی از خود به جای گذاشته است..
مجسمه پاسکال در موزه لوور پاریس سال۱۷۸۵
بررسی کلی سه قانون مشهورفشارگازها
گازها نوعي از مواد هستند كه فاصله ي بين مولكول هاي آنان زياد است و اين به علت نيروي جاذبه ي بسيار كم بين مولكول هاي گاز است.
در قوانين گازها سه چيز متغير است كه آن ها عبارت اند از:
حجم، فشار و دما
قانون بويل
قانون بويل بيان مي كند كه در دمايي ثابت، فشار با حجم رابطه اي عكس دارد يعني اگر فشار بالا رود، حجم كم مي شود و اگر فشار كم شود به عكس حجم زياد مي شود.
اين قانون را مي توان با آزمايش زير نيز بيان كرد.
سه سرنگ خالي از ماده را روي ترازوي ديجيتالي قرار مي دهيم، هر نفر يك سرنگ را مي بايست به گونه اي فشار دهد كه اولين نفر فشار كم، دومين نفر فشار بيش تر و سومين نفر فشار بيش تري وارد نمايد، فشار وارده را مي توان با ترازويي كه سرنگ را روي آن قرار داده ايم بررسي كنيم، سپس مشاهده مي كنيم اولين سرنگ كه فشار كم تري بر آن وارد شده است داراي حجم بالاتر و به ترتيب با افزايش فشار به سرنگ حاوي هوا، حجم كم و كم تر مي شود.
قانون شارل
بر اساس قانون شارل، در فشار ثابت، حجم با دما رابطه اي مستقيم دارد، به گونه اي كه اگر دما زياد شود حجم بالا مي رود و اگر دما كم شود حجم نيز كم مي شود.
اين قانون را مي توان در پديده ي طبيعي زير بيان نمود:
در تابستان كه دماي هوا بالا مي رود، حجم گاز درون تاير خودروها نيز افزايش مي يابد و بلعكس در زمستان با كاهش دما، حجم تاير خودروها كاهش يافته و بايد بر باد آن بيفزاييم.
قانون گيلوساك
بنابر اين قانون، در حجمي ثابت، دما با فشار رابطه اي مستقيم دارد، به گونه اي كه اگر دما زياد شود، فشار هم زياد و اگر دما كم شود فشار نيز كم مي شود.
علت افزايش فشار با افزايش دما و كاهش آن به شرح زير است:
وقتي دما افزايش مي يابد، سرعت و در نهايت انرژي جنبشي ذرات گاز افزايش مي يابد و همانطور كه مي دانيد فشار يك گاز نتيجه ي برخورد ذرات گاز با ديواره ي ظرف است بنابر اين برخورد ذرات گاز با ديواره ي ظرف افزايش مي يابد و در نهايت فشار نيز افزايش مي يابد.
فشار کمیتی است اسکالرو برابر است با نیروی عمود بر سطح در واحد سطح. فشار رابطه نزدیکی با تانسور تنش دارد و مقدار آن برابر با میانگین عناصر قطری ماتریس تنش است. واحد آن در اس آی پاسکال است. مثال: ۱Pa = ۱ N/m۲ = ۱۰−۵ bar = ۱۰/۱۹۷×۱۰−۶ at = ۹/۸۶۹۲×۱۰−۶ atmفشار
فشارسنج جیوه ای
پاسکال(Pa)بار
(bar)اتمسفرفنی(at)
اتمسفر(atm)
تر(Torr)پیون-نیرو براینچ مربع
(psi)
1 Pa
≡ 1 /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
یادآوری: mmHg نماد ميلي ليتر جيوه است.
،،،،،،،، بِسْمِ اللّهِ الرَّحْمَنِ الرَّحِيمِ اللّهُ لاَ إِلَهَ إِلاَّ هُوَ الْحَيُّ الْقَيُّومُ لاَ تَأْخُذُهُ سِنَةٌ وَلاَ نَوْمٌ لَّهُ مَا فِي السَّمَاوَاتِ وَمَا فِي الأَرْضِ مَن ذَا الَّذِي يَشْفَعُ عِنْدَهُ إِلاَّ بِإِذْنِهِ يَعْلَمُ مَا بَيْنَ أَيْدِيهِمْ وَمَا خَلْفَهُمْ وَلاَ يُحِيطُونَ بِشَيْءٍ مِّنْ عِلْمِهِ إِلاَّ بِمَا شَاء وَسِعَ کُرْسِيُّهُ السَّمَاوَاتِ وَالأَرْضَ وَلاَ يَؤُودُهُ حِفْظُهُمَا وَهُوَ الْعَلِيُّ الْعَظِيمُ لاَ إِکْرَاهَ فِي الدِّينِ قَد تَّبَيَّنَ الرُّشْدُ مِنَ الْغَيِّ فَمَنْ يَکْفُرْ بِالطَّاغُوتِ وَيُؤْمِن بِاللّهِ فَقَدِ اسْتَمْسَکَ بِالْعُرْوَةِ الْوُثْقَىَ لاَ انفِصَامَ لَهَا وَاللّهُ سَمِيعٌ عَلِيمٌ