اطلاعات اولیه
فشار عبارت است از
نیرو بر واحد سطح. یعنی مثلا
فشار گاز برابر است با نیرویی که گاز بر واحد سطح جداره ظرف خود ، وارد می‌نماید:
سطح / نیرو = فشار
واحد فشار در SI ، "پاسکال" است. (با علامت اختصاری Pa ) و برحسب تعریف ، فشاری است معادل با نیروی یک نیوتن (1N=1kgm/s
2) بر یک مترمربع.
1Pa=1N/1m2=1(kg.m/s2)/1m2=1kg/m.s2
به هر حال فیزیکدانان معمولا فشار گاز را در ارتباط با
فشار جو اندازه‌گیری می‌کنند.
تاریخچه
برای اندازه‌گیری فشار جو از
هواسنج استفاده می‌شود. این دستگاه در قرن هفدهم توسط
ایوان گلیستا توریچلی (Evangelista Toricelli) ، شاگرد
گالیله (Galileo) ، طراحی شد. طرح کلی آن به صورت لوله‌ای پر از جیوه است که وقتی در تشتک جیوه برگردانده می‌شود، همه جیوه آن خالی نمی‌گردد. در این حالت ارتفاع ستون جیوه در لوله نمادی از فشار خواهد بود.
اندازه‌گیری فشار
توریچلی از یک لوله به طول 850mm که انتهای آن مسدود شده بود، برای اندازه‌گیری فشار استفاده کرد. برای این منظور او لوله را پر از
جیوه کرد، سپس آن را در یک ظرف در باز جیوه به صورت وارونه قرار داد. دراین حالت ، سطح جیوه در لوله پایین آمد، اما لوله کاملا از جیوه خالی نشد. فشار جیوه وارد بر سطح جیوه داخل ظرف ، نگه‌دارنده ستون جیوه در داخل لوله است. فضای بالای سطح جیوه داخل لوله ، تقریبا بطور کامل ، از هوا خالی است. چون جیوه در دمای اتاق چندان فرار نیست، فقط مقدار اندکی از بخار جیوه این فضا را اشغال می‌کند. به همین جهت ، عملا بر سطح جیوه داخل لوله ، فشاری وارد نمی‌شود.
فشار داخل لوله در سطح مرجع که در شکل نشان داده شده، فقط از وزن ستون جیوه ناشی می‌شود. این فشار در سطح با فشار جو خارج لوله برابر است. هنگامی که فشار جو افزایش می‌یابد، جیوه را در ستون به بالا می‌راند. به خاطر دارید که فشار عبارت از نیروی وارد بر واحد سطح می‌باشد. به همین جهت ، سطح مقطع لوله خواه نسبتا بزرگ باشد یا کوچک ، یک فشار جو معین ، جیوه درون لوله را در ارتفاعی یکسان نگه می‌دارد.
فشار جو روز به روز و از محلی به محل دیگر تغییر می‌کند. فشار میانگین در سطح دریا و در صفر درجه سانتیگراد ارتفاع جیوه را در 760mm نگه می‌دارد (
فشار استاندارد). این مقدار یک "اتمسفر" (1atm) نامیده می‌شود. ولی در
سیستم SI باید اتمسفر را بر حسب پاسکال بیان کنیم:
1atm=101325Pa=101.325kPa
فشار برابر با ارتفاع 1mm جیوه یک "تور" خوانده می‌شود (تور از نام توریچلی گرفته شده است).
1atm=760Torr
فشارسنج
فشارسنج وسیله‌ای است که برای اندازه‌گیری فشار نمونه‌ای از
گاز. طرح فشارسنج از هواسنج گرفته شده است. نوعی از فشارسنج که در شکل می‌بیند. شامل لوله‌ای به شکل U است که حاوی جیوه می‌باشد. یک بازوی این لوله با جو مرتبط است. در این بازو فشار جو بر سطح جیوه وارد می‌شود. بازوی دیگر به یک ظرف گاز متصل است به نحوی که فشار گاز ، بر جیوه این بازو وارد می‌شود. اگر فشار گاز با فشار جو برابر باشد، سطح جیوه در هر دو بازوی لوله U شکل ، یکسان خواهد بود.
در آزمایش مربوط به شکل فشارسنج ، فشار گاز از فشار جو بیشتر است. اختلاف ارتفاع بین دو سطح جیوه (برحسب میلیمتر جیوه) بایستی به فشار جو (برحسب میلیمتر جیوه یا تور) افزوده شود، تا فشار گاز (برحسب میلیمتر جیوه یا تور) بدست آید. اگر فشار گاز کمتر از فشار جو باشد، جیوه در بازوی چپ فشارسنجی که در شکل فشارسنج نشان داده شده، در سطحی بالاتر از بازوی راست خواهد ایستاد و اختلاف ارتفاع بایستی از فشار جو کم شود.
هنگامی که یک مایع در یک ظرف بسته
تبخیر گردد، مولکولهای بخار نمی‌توانند از سطح مایع فرار کنند. برخی از مولکولهای بخار ضمن حرکت نامنظم خود به
حالت مایع برمی‌گردند. می‌توانیم این فرآیند را برای آب بوسیله یک پیکان دوطرفه نشان دهیم:
(H2O (l) → H2O (g
در ابتدا سرعت بازگشت مولکولها از بخار به مایع کم است، زیرا تعداد کمی از مولکولها در فاز بخار وجود دارند. اما ادامه تبخیر باعث افزایش غلظت مولکولها در فاز بخار می‌شود. بدین ترتیب ،
سرعت میعان افزایش می‌یابد. در نهایت ، سیستم به حالتی می‌رسد که در آن حالت سرعت میعان با سرعت تبخیر برابر می‌گردد. چنین حالتی را که سرعت دو عمل مخالف باهم برابر می‌باشد، "حالت تعادل" می‌نامند. از آنجا که در حالت تعادل ، غلظت مولکولها در بخار ثابت است، فشار بخار نیز ثابت خواهد بود. فشار بخاری را که در دمای معین با مایع خود در حال تعادل است، "فشار بخار تعادلی" آن مایع می‌نامند. فشار بخار مایع معین توسط
دما تعیین می‌شود و با زیاد شدن دما ، افزایش می‌یابد.
تغییر فشار در یک شاره ساکن
هر شاره‌ای در حال تعادل باشد، هر جز آن در حال تعادل خواهد بود. عنصر حجمی کوچکی از شاره را که در داخل شاره غوطه‌ور است، در نظر می‌گیریم. فرض می‌کنیم که این عنصر به شکل قرص نازک است. نیروهای وارد بر عنصر از طرف شاره‌ای که آن را احاطه کرده است، در هر نقطه بر سطح عنصر عمودند. برآیند نیروهای افقی صفر است، زیرا این عنصر هیچ
شتاب افقیی ندارد. نیروهای افقی فقط از شاره ناشی می‌شوند و به علت تقارن ، فشار در تمام نقاط واقع بر یک صفحه افقی در ارتفاع y یکسان است.
اگر P فشار وارد بر وجه پایینی و P+dP فشار وارد بر وجه بالایی باشد، نیروی رو با بالا PA است (که بر وجه پایینی وارد می‌شود) و نیروی رو به پایین (که بر وجه بالایی وارد می‌شود.) برابر است با (P+dP)A به اضافه
وزن عنصر (dw) ، پس برای تعادل قائم داریم:
PA=( P+dP)A+dw=( P+dP)A+ρgAdg
P/dy=-ρg
این معادله نشان می‌دهد که فشار در شاره‌ای که در
تعادل استاتیک است، برحسب ارتفاع از یک سطح مرجع چگونه تغییر می‌کند.
مباحث مرتبط با عنوان
