حسین اتحادی پنجشنبه 18 آبان 1396 04:22 ق.ظ نظرات ()

    • تعریف فشار

فشار به صورت مقدار نیروی وارد شده به واحد سطح تعریف می شود. در بسیاری از کاربردها (همانند اندازه گیری فشار سیالات )، بهتر است برای توصیف حرکت، به جای نیرو، از فشار استفاده شود. به عنوان مثال، برای روشن تر شدن موضوع ، می توان به بُرِش یک سیب توسط چاقو اشاره کرد. بدلیل آنکه نوک چاقو دارای سطح مقطع کوچکی است بنابراین فشار در نوک چاقو بالاست و میتواند پوست سیب را، به راحتی برش دهد ولی کناره های چاقو که دارای سطح مقطع به مراتب بزرگتر از نوک چاقو هستند، نمی توانند سیب را برش دهند.

ارتباط فشار با نیرو و سطح مقطع اعمال نیرو
ارتباط فشار با نیرو و سطح مقطع اعمال نیرو – برگرفته از سایت “http://www.aaronswansonpt.com/”

 

  • واحد های فشار

فشار در سیستم های اندازه گیری مختلف، دارای واحدهای متفاوتی است اما رایج ترین آن در سیستم SI، پاسکال، ودر سیستم انگلیسی psi می باشد. واحد پاسکال[۲] در واقع همان    N/m2 (مترمربع/نیوتن) می باشد وهمچنین psi نیز برابر ib/in2 (اینچ مربع/پوند) می باشد. در جدول زیر واحدهای رایج در مبحث فشار آورده شده است :

پوند براینچ مربع (ib/in2 و psi)

این واحد بیشتر در آمریکا استفاده می شود. فشار اتمسفر چیزی در حدود ۱۴٫۷ psi می باشد، به این معنی که وزن ستونی از هوا با سطح مقطع ۱ اینچ مربع ، که در اثر وجود اتمسفر جابه جا می شود برابر ۱۴٫۷ پوند است.

اتمسفر(Atm)

فشار اتمسفر یا همان محیط

تور[۳](Torr)

این واحد براساس بارومتری که توریسلی فیزیکدان ایتالیایی ساخت، استفاده می شود . یک اتمسفر فشار باعث می شود که جیوه در داخل بارومتر مقدار ۷۶۰ میلی متر بالارود . این واحد در اندازه گیری فشارخون کاربرد زیادی دارد:

۷۶۰torr =atm 1

بار[۴](bar)

یک بار تقریبا برابر یک اتمسفر است :

Pas  ۱۰۰۰۰۰ =  bar 1

پاسکال (pas)

این واحد ، واحد به کاررفته در سیستم si می باشد و   یک پاسکال مقدار ۱ نیوتن نیروی اعمال شده به ۱ متر مربع می باشد :

Pascal  ۱۰۱۳۲۵ = atm 1

 

 به ادامه مطلب مراجعه کنید
  • رابطه فشار، دما و حجم مخصوص[۵] در یک ماده

در حالت کلی در ترمودینامیک، برای اینکه رابطه ی بین فشار، دما و حجم مخصوص(عکس چگالی) یک ماده را به دست بیاورند، اقدام به انجام آزمایش می کنند. به عنوان مثال فرض کنید مجموعه ی سیلندر-پیستونی داریم که درون آن مقدارمشخصی آب می باشد(شکل ۲). فرض می کنیم که روی پیستون وزنه مشخصی قرار دارد که به مایع توسط پیستون، فشار اعمال می شود. حال می توان توسط شعله ای در زیر سیلندر، به آب گرما داد. حال با استفاده از سیستم گفته شده می توان دست به انجام آزمایشاتی زد تا رفتار ماده را به ازای ثابت نگه داشتن یک پارامتر و متغیر بودن دو پارامتر دیگر تعیین نمود. با انجام آزمایشات مختلف در حالت کلی یک نمودار سه بعدی برای رابطه ی بین فشار ، دما وحجم مخصوص به دست می آید که در شکل ۳ نشان داده شده است:

نمودار فشار دما و حجم مخصوص
نمودار فشار دما- برگرفته از”www.cambridge.org/us/engineering”

نمودار دما حجم مخصوص

شکل (۳) “www.cambridge.org/us/engineering”

برای توضیح بیشتر نمودار ۲ ، فرض کنید آب مایع در دمای ۳۰۰ درجه ی کلوین و فشاریک اتمسفر در داخل سیلندر وجود دارد نقطه ی (A) . حال فرض کنید درفشار ثابت، به سیلندر حرارت می دهیم . در اثرحرارت دادن، آب شروع به منبسط شدن می کند و وزنه شروع به بالا رفتن می نماید و مایع به نقطه ی شماره ی (B)  میرسد. این نقطه که به مایع اشباع[۶] موسوم است، نقطه ی دو فازی شدن آب می باشد . حال با ادامه ی حرارت دادن به آب، می توان دید که دیگر دمای مایع بالا نمی رود وفقط تا نقطه E در دمای ثابت حجم مخصوصش زیاد می شود . این نقطه که به نقطه ی بخاراشباع[۷] معروف است، مایع تماما به گاز تبدیل شده است ودیگر مایعی در سیلندر وجود ندارد . سپس با ادامه ی حرارت دادن به آب ، مایع به حالتی می رود که به آن بخار مافوق گرم می گویند ودر این حالت دیگرمایع تبدیل به گاز شده است . گفتنی است می توان با تغییر وزنه ی روی پیستون ، این آزمایش را به ازای فشارهای گوناگون انجام داد . در ضمن باید گفت که برای فرآیند جامد به مایع و بلعکس نیز نموداری مشابه، می توان برای مواد مختلف تعیین کرد . از نمودار سه بعدی فوق می توان سه نمودار تک بعدی در سه وجه بدست آورد و این سه نمودار رفتار آب در نسبت تقییرات دما و فشار، رفتار آب در نسبت تغییرات فشار به حجم و رفتار آب در نسبت تغییرات دما به حجم را نشان می دهند. بدینصورت و با انجام این ازمایش می توان رابطه میان دما، فشار و جحم مخصوص سیالات را بدست آورد و از آن در طراحی و تحلیل سیستمهای مشابه استفاده نمود.

  • مدلسازی فشار در بازه های گوناگون فشار

در کل هدف از مدل سازی فشار ، بیان رابطه ای ریاضی بین فشار، دما وحجم مخصوص یک سیال می باشد. به این معادله ی ریاضی معادله ی حالت[۸] گفته می شود. در مایعات، چون تغییر حجم مخصوص با فشار اندک است معادله ی حالتی تعریف نمی شود ولی در گازها معادلات زیادی در این زمینه مطرح شده است. معروفترین آنها معادله ی حالت گاز کامل یا گاز ایده آل است که در واقع ساده ترین آنها هم می باشد.

PV=nRT

در این رابطه P  نماد فشار، V نماد حجم، R نماد ثابت گازها، T نماد دمای گاز با یکای کلوین و n نماد تعداد مول ذرات در یک سیستم می باشد. در برای اثبات این قانون از قوانین بویل و شارل استفاده می شود. در بیان بویل حجم و فشار گاز در دمایی ثابت در یک سیستم بسته نسبتی عکس دارند.

در بیان شارل حجم و دما در فشاری ثابت نسبتی مستقیم دارند. ترکیب این دو بیان عبارت زیر را نتیجه میدهد:

رابطه حجم دما و فشار

با استفاده از یک ضریب ثابت  می توان تناسب را به تساوی تبدیل نمود. و آن ضریب ثابت R ثابت گازها می باشد.

از جمله معادلات دیگر می توان به معادله ی واندروالس  نیز اشاره کرد. در نوشتاری با عنوان مفاهیم اولیه در فناوری خلأ مفاهیم اولیه در فناوری خلا- قسمت دوم،مفاهیم اولیه در فناوری خلا- قسمت سوم و قانون گازها و مدل آنها ارتباط با روابط موجود میان پارامترهای گاز کامل و قوانین معروف آن توضیح داده شده است. جهت مطالعه اینجا کلیک کنید. 

معادله ی گاز کامل ، به علت ساده بودن واینکه قابلیت توصیف گاز را تا فشارها و دماهای مطلوبی را داراست ، پراستفاده ترین معادله می باشد. اما باید توجه داشت که این معادله دارای محدودیت می باشد. این محدودیت شامل فشار و دماست. بنابراین برای اینکه بدانیم تا چه محدوده ای از فشار و دما قادر به استفاده از این معادله هستیم، ضریبی به نام تراکم پذیری[۹] تعریف شده است که با نماد (Z) نشان داده می شود. این ضریب هرچه به عدد ۱ نزدیک تر باشد می توان گفت که معادله ی گاز کامل دارای دقت مناسب تری می باشد. لازم به ذکر است نموداری را برای تعیین ضریب تراکم پذیری گازها، براساس فشار کاهیده[۱۰] و دمای کاهیده ی[۱۱] گازها   تعیین می کنند . فشار کاهیده ودمای کاهیده ی گاز از تقسیم فشار و دمای گاز بر فشار بحرانی[۱۲] ودمای بحرانی[۱۳] گاز به دست می آید. فشار و دمای بحرانی، فشار و دمای بسیار بالایی است که حالت بین گاز و مایع مشخص نمی باشد. از آنجایی که فشار و دمای بحرانی برای سیالات گوناگون متفاوت است، این دو مقدار برای هر سیال از جداول ترمودینامیکی گازها بدست می آید. در شکل زیر نمودار تراکم پذیری گازهای متان، اتیلن، پروپان، بوتان، نیتروژن نشان داده شده است.

ضریب تراکم پذیری به ازای دماهای کاهیده
ضریب تراکم پذیری به ازای دماهای کاهیده –  “www.cambridge.org/us/engineering”

در نمودار فوق تغییرات ضریب تراکم پذیری به ازای دماهای کاهیده گوناگون از عدد یک تا عدد ۲ و برای فشار کاهیده از نزدیک به صفر تا عدد هفت دیده می شود. در عمل برای انتخاب ضریب تراکم پذیری در در دما و فشارهای گوناگون از جداول از پیش تعیین شده ای استفاده می گردد تا با انتخاب ضریب تراکم پذیری مناسب از رابطه گاز کامل استفاده دقیقتر گردد.

  1. انواع فشار

    • فشار سیال

فشارسیال ، فشاری است که در هرنقطه ی سیال ، اعم از مایع و یا گاز ، به اطراف اعمال می شود. در کل شامل دو نوع فشار استاتیک ودینامیک می باشد. که مجموع آنها را به اصطلاح فشار کل[۱۴] می گوییم .

 

شماتیک فشار گاز در یک محیط بسته
شماتیک فشار گاز در یک محیط بسته- برگرفته شده از ” http://www.indiana.edu”

 

فشار انفجار، فشاری است که در اثر انفجار در یک فضای محدود ویا غیر محدود ایجاد می شود. اندازه گیری این پارامتر در صنایع نظامی و فضایی کاربرد بسیار دارد همچنین برای محاسبات مربوط به ایمنی افراد در محیط های خطرناک و انفجار پذیر نظیر پالایشگاه ها و معادن، اندازه گیری و محاسبات مربوط به این پارامتر حائز اهمیت می باشد.

سامانه تست فشار انفجار
سامانه تست فشار انفجار – برگرفته شده از  ” http://www.anko-lab.com”

 

فشاری که توسط محیط اطراف سیستم، به سیستم اعمال می شود فشار محیط گفته می باشد.

فشار کاری یا همان فشارعملیاتی مجاز[۱۸]، مقدارفشاری است که معمولا توسط [۱۹]ASME یا API[20] حساب می شود و به عنوان فشاری که کارکردن در آن به مخازن و یا تجهیزات آسیب وارد نمی شود تعریف می شود.

این فشار ، معادل فشاری است که اگر فشار تجهیزاتی مانند لوله و مخزن و غیره به این فشار برسد این تجهیزات آسیب می بینند ومقدارش چیزی در حدود ۲٫۵ تا ۴ برابرفشارکاری است.

نمونه ای از مخازنی که تحت فشار آسیب دیده اند
نمونه ای از مخازنی که تحت فشار آسیب دیده اند – برگرفته از ”  http://www.braider.com و http://www.qbyv.com”

 

این فشار، تعریفی مشابه تعریف فشارکاری دارد با این تفاوت که مقدار آن چیزی در حدود ۱٫۵ برابر فشارکاری تعریف می شود. به بیان کامل تر می توان گفت فشار اطمینان فشاری است که تجهیز زیر بار آن فشار دچار تغییر دائمی و یا اختلال دائمی نمی گردد. با این تعریف ممکن است دستگاه زیر بار این فشار اختلال در عملکرد داشته باشد اما این اختلال پس از کاهش فشار از بین برود. به عنوان مثال حسگر فشاری که فشار اطمینان آن ۱۰ بار می باشد و فشار کاری آن ۷ بار است، هنگامی که زیر بار فشار ۱۰ بار قرار می گیرد دچار اختلال در اندازه گیری دقیق فشار می شود اما با با کاهش فشار و قرار گرفتن دستگاه در محدوده فشار کاری اختلال ایجاد شده در دقت اندازه گیری دستگاه بر طرف می گردد.

اصطلاح فشارمنفی، معمولا زمانی به کاربرده می شود که فشار یک مجموعه ی کاری از فشار محیط اطرافش کمتر شود. به عنوان مثال اگر فشارمحفظه ای که اطرافش را هوای اتمسفردر برگرفته، kpa 80 شود می گوییم فشار محفظه kpa 20 – گیج است چون چیزی در حدود kpa  ۲۰ از kpa  ۱۰۰ محیط ، فشارش کمتراست.

فشار سکون عبارت است از فشار نقطه ای که سرعت سیال در آن نقطه صفر می شود. فشار سکون یک نقطه را می توان به کمک معادله ی برنولی [۲۵]به دست آورد . از این خاصیت در لوله پیتوت[۲۶] جهت اندازه گیری سرعت باد در تونلهای باد استفاده می گردد.

استفاده از مفهوم فشار سکون در لوله پیتوت
استفاده از مفهوم فشار سکون در لوله پیتوت – برگرفته از”www.princeton.edu”

 

فشار بخار
فشار بخار-برگرفته از سایت http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/

فشار بخار، فشاری که در آن مایع شروع به تبخیر شدن می کند. فشار بخار، به دمای محیطی که در آن قرار دارد  بستگی دارد . به عنوان مثال آب در ۱۰۰ در جه سانتی گراد ودر فشار یک اتمسفر تبخیر می شود . حال اگر فشار محیط آب را کمتر کنیم در دمای کمتری می جوشد. مفهوم فشار بخار بشکل خاص در سیالاتی که به عنوان درزگیر استفاده می شود اهمیت بسیار پیدا می کند. همانطور که گفته شد فشار بخار سیالات تابعی از دما و فشار محیط می باشد. در فناوری خلأ استفاده از سیالاتی که در دمای بالاتر و فشار پایین تر دیر تر تبخیر می شوند اهمیت بسیار زیادی پیدا می کند. هر چه سیال دیرتر تبخیر گردد بازه دمایی که باعث الودگی سیستم ها می شود افزایش می یابد از این رو انتخاب روغنهای صنعتی با توجه به منحنی های دما و فشار بخار آنها بسیار حائز اهمیت می باشد.

شماتیک از فشار بخار و نقطه تغییر فاز ذرات از فاز مایع به فاز گاز
شماتیک از فشار بخار و نقطه تغییر فاز ذرات از فاز مایع به فاز گاز -برگرفته از “https://upload.wikimedia.org”

 

  • فشار استاتیک [۲۸]

طبق تعریف فشار استاتیک، فشاری است که در یک سیال ساکن ایجاد می شود . این فشار در مایعات نسبت مستقیم با عمق مایع دارد (ارتفع مایع از سطح آزاد) اما در گازها معمولا یکنواخت توزیع می شود. به مبحثی که فشار را در مایعات ساکن بررسی می کند هیدرواستاتیک[۲۹] می گویند.

فشار استاتیک
فشار استاتیک-برگرفته ازسایت ” upload.wikimedia.org”

 

به فشاری که توسط سیال در حال حرکت اعمال می شود فشار دینامیک گفته می شود . این فشار با توان دوم سرعت نسبت مستقیم دارد .

 

  • فشارکل

به مجموع دو فشار استاتیک ودینامیک در سیال در حال حرکت فشار کل گفته می شود. در یک سیال در حال حرکت هم فشار استاتیک وجود دارد وهم فشار دینامیک . دریک سیال متحرک با فرض ناچیز بودن اتلافات، می توان گفت که فشارکل ثابت است. بنابراین فشار استاتیک ودینامیک دائما در حال تبدیل به یکدیگر هستند. در زیر رابطه  فشارکل آورده شده است. (ρ نماد چگالی سیال می باشد)

فشار کل

در سیستم های لوله کشی و یا تجهیزاتی که با سیالات در حال حرکت سروکاردارند ، سیال به هنگام عبور از این تجهیزات به علت وجود اصطکاک ویا نشتی ، مقداری از فشار خود را از دست می دهد. این پدیده را افت فشار می گویند و در سیالات امری رایج است به همین دلیل از وسایلی مانند پمپ استفاده می کنند تا مشکل افت فشار جبران شود چرا که افت فشار همانند اتلاف انرژی است و در طراحی سیستم ها لازم است بگونه ای در نظر گرفته شود تا میزان افت فشار کمینه گردد.

 

  • فشار گیج و فشار مطلق

فشار گیج و فشار مطلق بر اساس مبنای اندازه گیری فشار تعریف می گردند. در زمانی که مبنای اندازه گیری فشار سطح دریا باشد اندازه گیری صورت گرفته بر اساس فشار مطلق می باشد و در صورتی که فشار اندازه گیری شده بر اساس مقدار خاصی از فشار همانند فشار محیط سیستم باشد اندازه گیری بر اساس فشار گیج صورت گرفته است.

 

به فشاری که توسط وزن هوای موجود در جو، به سیستم اعمال می شود فشار اتمسفر گفته می شود. این فشار در ارتفاع های مختلف از سطح دریا متفاوت می باشد . به عنوان مثال فشار در سطح دریا pa  ۱۰۱۳۲۵  می باشد.

شماتیک از یک سیستم و فشار اتمسفر
شماتیک از یک سیستم و فشار اتمسفر-  برگرفته از “http://www.spacegrant.montana.edu “