فشاردر گازها

فشار هوا

مي دانيد اطراف زمين را اقيانوسي از هوا گرفته است كه اتمسفر يا جو ناميده مي شود، اين توده عظيم هوا به علت وزني كه دارد بر سطح زمين و هر چه روي آن است فشار وارد مي كند.

ما فشار هوا را احساس نمي كنيم، زيرا اين فشار در همه جهت ها بر درون و بيرون بدن ما وارد مي شود.

الف) فشار هوای درون و بیرون این قوطی حلبی برابر است.

ب) قوطی پس از تخلیه هوای درون آن.

اگر فشار هوا از سطح بدن برداشته شود، فشار خون در رگها ممكن است رگ و پوست را پاره كند، به همين دليل در خارج از جو فضانوردان ناگزيرند لباس هاي ويژه اي بپوشند كه درون فضاهاي بسته آن فشار ساختگي وجود داشته باشد.

توجه: هر چه از سطح زمين به طرف بالا مي رويم، فشار هوا كمتر مي شود، فشار هوا تقريبا به ازاي هر 10 متر يك ميلي متر جيوه كاهش مي يابد.

براي اندازه گيري هوا از دستگاهي به نام فشار سنج يا بارومتر جيوه اي استفاده مي شود.

به اين ترتيب كه لوله اي به طول يك متر كه يك سر آن بسته است را پر از جيوه كرده و به صورت واژگون درون جيوه يك ظرف فرو مي بريم، آن گاه جيوه درون لوله تا آنجا پايين مي آيد كه فشار ناشي از وزن ستون جيوه برابر فشار هوا شود. اگر اين آزمايش در سطح درياي آزاد انجام شود، ارتفاع ستون جيوه 76 سانتي متر خواهد بود ولي اگر در محلي كه بالاتر از سطح درياي آزاد قرار دارد انجام شود، ارتفاع ستون جيوه كمتر خواهد شد.

چون ارتفاع ستون جيوه به فشار هوا بستگي دارد پس معيار خوبي براي اندازه گيري فشار هوا است.

اين فشار سنج نخستين بار توسط توریچلی ساخته شده است.

اگر چگالي جيوه 13600kg/m³و شتاب جاذبهو ارتفاع ستون جيوه در سطح درياي آزاد برابر 76 سانتي متر باشد، فشار كه ستون جيوه در سطح Aايجاد مي كند از رابطه زير به دست مي آيد.

                                                                         P = ρgh

P = ۱۳۶۰۰× ۹/۸۱× ۰/۷۶= ۱/۰۱× ۱۰^۵pa = ۱۰^۵pa

اين فشار يك اتمسفر (atm) ناميده مي شود.

در نتيجه فشار هوا در سطح درياي آزاد برابر 10⁵ پاسكال يا يك اتمسفر است.

گاهي اوقات به جاي محاسبه ρghفشار را بر حسب ارتفاع ستون جيوه بيان مي كنند. بنابراين فشار هوا در سطح درياي آزاد برابر 76CmHg(سانتي متر جيوه) و يا 760mmHg(ميلي متر جيوه) است.

مثال: شهر تهران به طور متوسط در ارتفاع 1400 متري از سطح آزاد دريا قرار دارد، فشار هوا در آن چند ميلي متر جيوه و چند پاسكال است.

پاسخ: مي دانيم كه به ازاي هر 10 متر يك ميلي متر جيوه از فشار هوا كم مي شود.

يعني فشار هوا در تهران 140 ميلي متر جيوه از فشار هوا در سطح آزاد دريا كم تر است پس

۷۶۰ - ۱۴۰ = ۶۲۰ mmHg

  براي آنكه فشار را به پاسكال تبديل كنيم از فرمول زير استفاده كنيم.

p = ۱۳۶۰۰

g = ۹/۸

h = ۶۲۰ mm = ۰/۶۰ m

فشار گازها

وقتي در يك محيط بسته، مقداري گاز وارد كنيم، مولكول هاي گاز كه پيوسته در حال حركت و جنبش هستند دائما به ديواره هاي ظرف برخورد مي كند، برخورد هر مولكول با ديواره ي ظرف، نيرويي بر ديواره وارد مي كند، به عبارت ديگر، مي توان گفت كه عامل ايجاد فشار يك گاز بر ديواره هاي ظرف آن، ضربه هاي متوالي مولكول هاي گاز به ديواره است.

فشار گازها در يك محيط بسته به عوامل زير بستگي دارد:

1) تعداد مولكولهاي گاز درون ظرف:

هر چه مقدار گازي كه به يك ظرف در بسته وارد مي كنيم بيش تر باشد، فشار گاز درون آن ظرف بيش تر مي شود، زيرا با افزايش تعداد مولكول ها، تعداد برخورد آن ها با ديواره ي ظرف افزايش مي يابد.

2) جنبش و حركت مولكول هاي گاز:

هر چه دماي گاز بيش تر باشد، انرژي جنبشي مولكول هاي گاز بيش تر شده و فشار آن افزايش پيدا مي كند.

براي اندازه گيري فشار گازها از فشارسنج گازي يا مانومتر استفاده مي كنند.

براي اندازه گيري فشار مخزن گازي كهفشارآن از فشار هوا بيش تر است،  از لوله uشكل ساده اي استفاده مي شود كه درون آن جيوه با يك مايع رنگي با چگالي معين ريخته شده است.

در ابتدا چون فشار هوا در هر دو طرف لوله uشكل برابر است پس فشار در نقاط Aو Bبرابر است.

با بازشدن شير گاز و ورود آن به شاخه Aدر اثر فشار گاز، مايع داخل لوله از شاخه ديگر (B) بالا مي رود. اختلاف فشار هوا و فشار گاز داخل محفظه باعث مي شود كه مايع از دو طرف لوله Uشكل در يك سطح قرار نگيرند،بنابراین از اختلاف ارتفاع در لوله مي توان اختلاف فشار را به دست آورد.

فشار در نقاط Aو Bبرابر است زيرا درون يك مايع و هم سطح هستند. فشار در نقطه Bبرابر است با مجموع فشار ستون مايع به ارتفاع hو فشار وارد از طرف هوا پس

به اين ترتيب فقط با اندازه گيري hو داشتن p₀ (فشار هوا در محل) مي توان فشار گاز داخل مخزن Pرا اندازه گيري كرد.

مقدار pgh(يعني فزوني فشار مخزن نسبت به فشار جو) را فشار پيمانه اي مي نامند. در اندازه گيري فشار خون و يا فشار هوا داخل لاستيك هاي اتومبيل فشار پيمانه اي اندازه گيري مي شود.

مثال: در شكل مقابل فشار سنجي را نشان مي دهد كه حاوي مايعي به چگالي  500kg/m³است. اين فشارسنج به مخزن گاز آزمايشگاه متصل شده و شير مخزن گاز باز است. اختلاف ارتفاع بين سطح مايع در دو لوله برابر 30cmاست. فشار مخزن گاز چند پاسكال است.

س: فشار هوا چگونه است؟

ج: مي دانيد اطراف زمين را اقيانوسي از هوا فرا گرفته است كه اتمسفر يا جو ناميده مي شود. اين توده عظيم هوا به علت وزني كه دارد بر سطح زمين و هر چه روي آن است فشار وارد مي كند. فشار هوا در سطح دريا تقريباً برابر 10⁵Pa است( مقدار دقيقتر  ) كه اين مقدار را يك جو يا اتمسفر نيز مي نامند.

Eتذكر: 1- مقدار فشار هوا معلوم مي كند كه بر هر متر مربع از سطح زمين نيرويي 10⁵N از طرف جو وارد مي شود:                   

2- اگر سطح بدن يك انسان بالغ بطور متوسط 2m² باشد، نيروي   از طرف هوا بر بدن ما وارد مي شود كه معادل 10N بر هر سانتي متر مربع است.

3-هر چه از سطح زمين به طرف بالا رويم، به علت كم شدن ضخامت يا ارتفاع جو، فشار هوا كمتر مي شود. به طوري كه تا ارتفاع 2000متر از يطح زمين فشار هوا تقريباً به ازاي هر 10 متر 1ميلي متر جيوه كاهش مي يابد.

آزمايش 5-5:

وسايل لازم: يك لوله آزمايش بلند( در حدود يك متر) يك ظرف حاوي جيوه.

آزمايش (5-) همان آزمايش‌‌‌(5-4) است كه با جيوه و يك لوله آزمايش بلند انجام شده است. در اين آزمايش نيز جيوه درون لوله آزمايش وارونه باقي مي ماند. ولي بر خلاف آزمايش (5-4) كه در آن آب تمام ليوان وارونه را پر مي كرد در اين جا قسمتي از بالاي لوله وارونه خالي مي ماند. چون در حين آزمايش مانع وارد شدن هوا به اخل لوله آزمايش شده ايم در اين قسمت خلاء خواهيم داشت. اگر اين آزمايش در سطح درياي آزاد انجام شود ارتفاع ستون جيوه 76سانتي متر خواهد شد. اگر آزمايش در محلي كه بالاتر از سطح درياي آزاد قرار دارد انجام شود ارتفاع ستون كمتر خواهد شد.

جواب: در صورت وجود جيوه به اندازه كافي، آزمايش را انجام دهيد. براي سهولت  آزمايش مي توانيد ابتدا لوله را به آرامي و دقت  پر از جيوه بكنيد طوي كه حباب هوا در داخل آن نماند. سپس انگشت خود را روي انتهاي باز لوله  بگذاريد و به آرامي آنرا بطور وارونه در داخل ظرف  جيوه قرار دهيد. بعد انگشت خود را دور كنيد و لوله را قائم نگه داريد.

س: فشار گازها چگونه است؟

ج: در گازها به علت برخورد مداوم مولكولهاي گاز به جداره ظرف، فشار ايجاد مي شود و هر چقدر دماي گاز بيشتر باشد، انرژي جنبشي مولكولهاي گاز نيز بيشتر شده و فشار آن افزايش پيدا مي كند.

فعاليت 5-22: آيا آزمايش (5-5) را مي توان با آب انجام داد و فشار هوا را تعيين كرد؟

جواب:  اگر لوله اي به حد كافي بلند داشته باشيم، مي توانيم آزمايش فوق را با آب انجام دهيم. در اين صورت ارتفاع آب در لولع حدود ده متر خواهد بود. زيرا ارتفاع ستوني از آب كه معادل فشار ارتفاع 76متر جيوه باشد برابر است با:

فعاليت5-23: با دست خود خروجي يك تلمبه براي باد كردن چرخ دوچرخه را مسدود كنيد و هواي داخل آن را فشرده كنيد. فشار گاز داخل تلمبه را تخمين بزنيد.

جواب: اگر بتوانيد، دسته تلمبه را به آرامي تا نصف پايين ببريد، يعني حجم هواي داخل آنرا متراكم كنيد، فشار هواي درون تقريباً دو برابر فشار جو خواهد بود.

فشارسنج گازي چگونه است؟

ج: براي اندازه گيري فشار مخزن گازي كه فشار آن از فشار هوا بيشتر است، از لوله U شكل ساده اي استفاده مي شود كه درون آن جيوه يا يك مايع رنگي با چگالي( ) ريخته شده است. مطابق شكل مقابل با ورود گاز به شاخه A در اثر فشار آن( P₂) مايع داخل لوله از شاخه ديگر (B ) بالا مي رود. فشار در نقاط A  و  B برابر است، زيرا درون يك مايع و هم سطح هستند. از طرفي  فشار در نقطه B برابر است با مجموع فشارهاي ستون مايع به ارتفاع h  و نيز فشار وارد  از طرف هوا به سطح آزاد مايع، نتيجه مي شود:

به اين ترتيب فقط با اندازه گيري h و داشتن P₀ (فشار هوا در محل) مي توان فشار گاز داخل مخزن(P) را اندازه گيري كرد.

مقدار P-P₀ ( يعني فزوني فشار مخزن نسبت به فشار جو) را فشار پيمانه اي مي نامند. در اندازه گيري فشار خون و يا فشار هواي داخل لاستيكهاي اتومبيل فشار پيمانه اي اندازه گيري مي شود.

مثال: براي اندازه گيري فشار يك كپسول آنرا به يك فشار سنج جيوه اي وصل مي كنيم. ملاحظه مي شود با بازكردن شير كپسول جيوه در شاخه فشارسنج به اندازه 20cm بالا مي رود. در اين صورت فشار گاز چقدر است؟(r=13.5*10³ kg/m³ جيوه و P₁=10⁵Pa فشار هوا)

فعاليت 5-24: با استفاده از يك سرنگ و يك لوله باريك قابل خم كردن مانند ني نوشابه يا شيلنگ كولر و.... يك فشارسنج بسازيد. فشار گاز داخل سرنگ را با استفاده از آبي كه داخل لوله مي ريزيد اندازه گيري كنيد.

جواب: آزمايش را مطابق شكل مقابل انجام دهيد. ارتفاع h را اندازه بگيريد و فشار داخل سرنگ را از رابطه  زير بدست آوريد:

آزمايش 5-6:

وسايل لازم: فشار سنج، قيف، پوسته قابل ارتجاع.

به انتهاي يك قيف يك پوسته قابل ارتجاع( مثلاً بادكنك) را مطابق شكل (الف)كتاب وصل كنيد و انتهاي ديگر قيف را مطابق شكل(ب) به فشار سنج متصل كنيد

با وارد كردن قيف در داخل مايع مي توانيد فشار مايع را اندازه گيري كنيد. با انجام اين آزمايش: 1- چگونگي بستگي فشار به عمق  2- يكسان بودن فشار در نقاط هم عمق را تحقيق كنيد. همچنين ، تحقيق كنيد كه آيا فشار در هر نقطه در مايع به جهت گيري پوسته در آن نقطه بستگي دارد يا خير؟

جواب: با انجام آزمايش فوق نتيجه خواهيد گرفت: 1- با افزايش عمق  مايع فشار نيز بيشتر مي شود و برعكس.  2- در نقاط هم عمق فشار يكسان است.  3- در يك نقطه از داخل مايع مقدار فشار به جهت گيري پوسته در آن نقطه بستگي ندارد.

س: جوسنج جيوه اي چگونه است؟

ج:  يك جو سنج ساده جيوه اي لوله اي است به طول حدود يك متر كه يك سر آن بسته است. اگر لوله را پر از جيوه كرده و آنرا بطور واژگون و قائم درون يك تشتك جيوه قرار دهيم، مشاهده مي كنيم كه جيوه در لوله پايين مي رود اما در يك ارتفاع معين و ثابت مي ايستد. اين ارتفاع در سطح دريا تقريباً برابر  76cm است. يعني:

76cmHg=يك اتمسفر

ارتفاع ستون جيوه در لوله(h ) معرف فشار هوا در محل است. زيرا در واقع علت پايين نيامدن كامل جيوه در لوله فشاري است كه هوا به سطح جيوه درون تشتك وارد مي سازد.

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: