تفاوت فشار مطلق و نسبی

فشار، یکی از مفاهیم بنیادین در آموزش فیزیک و مهندسی است که به نیروی وارد بر واحد سطح تعریف می‌شود. این کمیت، در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، هواشناسی و حتی زندگی روزمره ما نقش مهمی ایفا می‌کند. در اندازه‌گیری فشار، دو مفهوم کلیدی وجود دارد که اغلب با هم اشتباه گرفته می‌شوند: فشار مطلق و فشار نسبی. در این مقاله، به بررسی دقیق تفاوت‌های این دو مفهوم پرداخته و کاربردهای هر یک را در زمینه‌های مختلف مورد تحلیل قرار خواهیم داد.

فشار مطلق: مرجعی برای همه فشارها

فشار مطلق، به فشاری گفته می‌شود که نسبت به خلأ مطلق اندازه‌گیری شود. خلأ مطلق، وضعیتی است که در آن هیچ ذره‌ای وجود نداشته باشد و در نتیجه هیچ فشاری اعمال نشود. به عبارت دیگر، فشار واقعی موجود در یک سیستم است و از صفر مطلق به بالا محاسبه می‌شود.

اهمیت فشار مطلق:

• • پایه اندازه‌گیری:به عنوان یک مرجع ثابت، برای مقایسه فشارهای مختلف در شرایط متفاوت استفاده می‌شود.
  • محاسبات دقیق: در بسیاری از محاسبات مهندسی، به ویژه در مواردی که تغییرات فشار بسیار زیاد است، استفاده از فشار مطلق دقت محاسبات را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.
  • استانداردهای جهانی: بسیاری از استانداردهای بین‌المللی، فشار مطلق را به عنوان واحد اصلی اندازه‌گیری فشار در نظر می‌گیرند.

تدریس خصوصی فیزیک توسط مدرسان حرفه‌ای

فشار نسبی: مقایسه با فشار اتمسفر

فشار نسبی، به فشاری گفته می‌شود که نسبت به فشار اتمسفر اندازه‌گیری شود. فشار اتمسفر، فشاری است که ستون هوا بر سطح زمین وارد می‌کند و در هر نقطه از زمین متفاوت است. فشار نسبی، در واقع اختلاف بین فشار مطلق یک سیستم و فشار اتمسفر در آن نقطه است.

کاربردهای فشار نسبی:

• • اندازه‌گیری‌های روزمره: اکثر فشارسنج‌های معمولی، فشار نسبی را اندازه می‌گیرند. این نوع فشارسنج‌ها برای اندازه‌گیری فشار تایر خودرو، فشار گاز در مخازن و بسیاری از کاربردهای روزمره استفاده می‌شوند.
  • سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک: در این سیستم‌ها، فشار نسبی برای کنترل جریان سیال و نیروی وارد بر عملگرها استفاده می‌شود.

مطلب پیشنهادی: فشار استاتیک چیست؟

رابطه بین فشار مطلق و نسبی

رابطه بین فشار مطلق (P_abs) و فشار نسبی (P_gauge) به صورت زیر بیان می‌شود:

P_abs = P_gauge + P_atm

که در آن:

• P_atm فشار اتمسفر است.

کاربردهای فشار مطلق و نسبی

• صنعت نفت و گاز: در صنعت نفت و گاز، فشار مطلق برای محاسبات مربوط به جریان سیال در لوله‌ها و مخازن استفاده می‌شود. فشار نسبی نیز برای کنترل فشار در چاه‌های نفت و گاز کاربرد دارد.
• هواشناسی: در هواشناسی، فشار مطلق برای پیش‌بینی وضعیت هوا و تحلیل سیستم‌های جوی استفاده می‌شود.
• صنعت پزشکی: در پزشکی، فشار خون به صورت فشار نسبی اندازه‌گیری می‌شود.
• صنعت خودروسازی: در صنعت خودروسازی، فشار تایرها به صورت فشار نسبی اندازه‌گیری می‌شود.

مطلب پیشنهادی: قانون اهم چیست؟

تفاوت‌های اصلی بین فشار مطلق و نسبی

همانطور که پیش‌تر به تفصیل بیان شد، هر دو  فشار  ، دو مفهوم کلیدی در اندازه‌گیری فشار هستند که هر یک کاربردها و ویژگی‌های خاص خود را دارند. در این بخش، به صورت خلاصه و دقیق به تفاوت‌های اصلی این دو مفهوم می‌پردازیم:

مرجع اندازه‌گیری

• فشار مطلق: مرجع اندازه‌گیری ، خلأ مطلق است. به عبارت دیگر، فشاری است که نسبت به وضعیتی که هیچ ذره‌ای وجود ندارد اندازه‌گیری می‌شود.
• فشار نسبی: مرجع اندازه‌گیری فشار نسبی، فشار اتمسفر است. این بدان معناست که فشار نسبی، اختلاف بین فشار مطلق یک سیستم و فشار هوای اطراف آن است.

مقدار عددی

• فشار مطلق: مقدار این نوع  همیشه مثبت است و از صفر مطلق به بالا محاسبه می‌شود.
• فشار نسبی: مقدار فشار نسبی می‌تواند مثبت، منفی یا صفر باشد. فشار مثبت نسبی نشان‌دهنده فشاری بیشتر از فشار اتمسفر و فشار منفی نسبی (خلأ) نشان‌دهنده فشاری کمتر از فشار اتمسفر است.

واحد اندازه‌گیری

• هر دو فشار مطلق و نسبی را می‌توان با واحدهای یکسانی مانند پاسکال (Pa)، بار (bar) یا میلی‌متر جیوه (mmHg) اندازه‌گیری کرد.

مقایسه فشار در سیستم‌های بسته و باز

فشار، به عنوان نیروی وارد بر واحد سطح، در سیستم‌های مختلف فیزیکی از اهمیت بالایی برخوردار است. درک تفاوت فشار در سیستم‌های بسته و باز، برای تحلیل و طراحی بسیاری از فرآیندهای صنعتی و طبیعی ضروری است. در این بخش، به مقایسه فشار در این دو نوع سیستم می‌پردازیم و عوامل موثر بر آن را بررسی می‌کنیم.

سیستم‌های بسته

سیستم بسته سیستمی است که در آن هیچ جرمی نمی‌تواند وارد یا خارج شود، اما انرژی می‌تواند مبادله شود. در چنین سیستمی، مقدار ماده درون سیستم ثابت است.

ویژگی‌های فشار در سیستم‌های بسته:

• • اثر دما: افزایش دما باعث افزایش انرژی جنبشی مولکول‌ها و در نتیجه افزایش برخورد آن‌ها با دیواره ظرف و افزایش فشار می‌شود. قانون گازهای ایده‌آل (PV=nRT) رابطه بین فشار، حجم، تعداد مول‌ها و دما را در یک سیستم بسته نشان می‌دهد.
  • اثر حجم: با کاهش حجم یک سیستم بسته در دمای ثابت، تعداد برخورد مولکول‌ها با دیواره ظرف افزایش یافته و فشار سیستم افزایش می‌یابد.
  • اثر نوع گاز: نوع گاز و خواص مولکولی آن نیز بر فشار سیستم بسته تأثیرگذار است.

سیستم‌های باز

سیستم باز سیستمی است که در آن هم جرم و هم انرژی می‌توانند با محیط اطراف مبادله شوند.

ویژگی‌های فشار در سیستم‌های باز:

• • تأثیر محیط: فشار در یک سیستم باز به شدت تحت تأثیر فشار محیط اطراف قرار دارد. اگر فشار محیط بیشتر از فشار داخل سیستم باشد، جرم (سیال) به داخل سیستم وارد می‌شود و برعکس.
  • تأثیر جریان: وجود جریان سیال در سیستم باز باعث ایجاد افت فشار می‌شود. این افت فشار به عوامل مختلفی مانند اصطکاک سیال با دیواره لوله‌ها، تغییرات ناگهانی سطح مقطع لوله و وجود اتصالات بستگی دارد.
  • تأثیر ارتفاع: در سیستم‌های باز که سیال در آن‌ها جریان دارد، اختلاف ارتفاع باعث ایجاد اختلاف فشار می‌شود. این پدیده به عنوان فشار هیدرواستاتیک شناخته می‌شود.

مطلب پیشنهادی: دسته بندی عنصرهای جدول تناوبی

آزمایش‌ها و مطالعات میدانی در فشارهای مختلف

مطالعه فشار در شرایط مختلف، از جمله در فشارهای بالا و پایین، برای درک بهتر پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی و همچنین پیشرفت تکنولوژی بسیار حائز اهمیت است. آزمایش‌ها و مطالعات میدانی در این زمینه، اطلاعات ارزشمندی را در اختیار دانشمندان و مهندسان قرار می‌دهند. در این بخش، به برخی از این آزمایش‌ها و کاربردهای آن‌ها اشاره خواهیم کرد.

آزمایش‌های فشار بالا

• شیمی آلی و معدنی: در این زمینه، آزمایش‌ها در فشارهای بالا برای سنتز مواد جدید، مطالعه خواص مواد در شرایط شدید و بررسی مکانیسم واکنش‌های شیمیایی انجام می‌شود. به عنوان مثال، سنتز الماس مصنوعی در فشارهای بسیار بالا و دمای بالا از جمله این کاربردها است.
• فیزیک حالت جامد: در این حوزه، آزمایش‌های فشار بالا برای مطالعه خواص مواد جامد مانند ابررسانایی، مغناطیس و انتقال فاز در شرایط فشار بالا انجام می‌شود.
• زمین‌شناسی: در زمین‌شناسی، آزمایش‌های فشار بالا برای شبیه‌سازی شرایط درون زمین و مطالعه فرآیندهای زمین‌شناسی مانند تشکیل سنگ‌ها و کانی‌ها استفاده می‌شود.

آزمایش‌های فشار پایین (خلأ)

• فیزیک اتمی و مولکولی: در این زمینه، آزمایش‌های در خلأ برای مطالعه خواص اتم‌ها و مولکول‌ها در حالت آزاد و بدون تداخل با سایر ذرات انجام می‌شود.
• مواد نانو: در تولید و مطالعه مواد نانویی، ایجاد محیط خلأ برای جلوگیری از آلودگی و تسهیل فرآیندهای رشد و رسوب‌دهی بسیار مهم است.
• صنعت نیمه‌رسانا: در تولید قطعات الکترونیکی، ایجاد محیط خلأ برای رسوب‌دهی لایه‌های نازک و انجام فرآیندهای مختلف ضروری است.

مطالعات میدانی

• هواشناسی: اندازه‌گیری فشار هوا در سطوح مختلف جو برای پیش‌بینی وضعیت هوا و مطالعه پدیده‌های جوی مانند طوفان‌ها و تندبادها بسیار مهم است.
• اقیانوس‌شناسی: اندازه‌گیری فشار در اعماق اقیانوس‌ها برای مطالعه جریان‌های اقیانوسی، دمای آب و سایر پارامترهای اقیانوسی انجام می‌شود.
• زمین‌شناسی: اندازه‌گیری فشار در مناطق مختلف زمین برای مطالعه ساختار درونی زمین، فعالیت‌های آتشفشانی و زلزله‌ها استفاده می‌شود.

تجهیزات و روش‌ها

برای ایجاد و اندازه‌گیری فشارهای مختلف، تجهیزات و روش‌های متنوعی وجود دارد:

• تجهیزات ایجاد فشار بالا: پرس‌های هیدرولیکی، سلول‌های الماسی، دستگاه‌های انفجار شیمیایی
• تجهیزات ایجاد خلأ: پمپ‌های خلأ، تله‌های سرد
• سنسورهای فشار: پیزومترها، دیافراگم‌های فلزی، سنسورهای خازنی
• روش‌های اندازه‌گیری: روش‌های مستقیم (مانند استفاده از فشارسنج) و روش‌های غیرمستقیم (مانند اندازه‌گیری تغییر مقاومت الکتریکی یا تغییر طول یک ماده)

چالش‌ها و آینده

انجام آزمایش‌ها و مطالعات میدانی در فشارهای مختلف با چالش‌هایی همراه است که برخی از آن‌ها عبارتند از:

• دشواری ایجاد و کنترل فشارهای بسیار بالا یا پایین: طراحی و ساخت تجهیزات مناسب برای ایجاد و کنترل دقیق فشارهای شدید، نیازمند فناوری‌های پیشرفته است.
• تأثیر دما: تغییرات دما می‌تواند بر فشار تأثیر بگذارد و کنترل همزمان دما و فشار را دشوار کند.
• آلودگی: در آزمایش‌های خلأ، جلوگیری از آلودگی محیط توسط گازهای باقیمانده بسیار مهم است.

با پیشرفت فناوری، انتظار می‌رود در آینده شاهد توسعه تجهیزات و روش‌های جدید برای انجام آزمایش‌ها در فشارهای مختلف باشیم. این پیشرفت‌ها به دانشمندان و مهندسان امکان می‌دهد تا پدیده‌های پیچیده فیزیکی و شیمیایی را بهتر درک کرده و کاربردهای جدیدی برای آن‌ها بیابند.

مطلب پیشنهادی: سیستم پنوماتیک چیست؟

نتیجه‌گیری: نگاهی جامع به مفهوم فشار

فشار، یک کمیت فیزیکی بنیادی است که نقش مهمی در دنیای اطراف ما ایفا می‌کند. با درک عمیق مفاهیم مربوط به فشار و عوامل مؤثر بر آن، می‌توانیم به بسیاری از پرسش‌های علمی پاسخ دهیم و در حل چالش‌های مهندسی موفق‌تر باشیم. درک مفهوم فشار و عوامل مؤثر بر آن، در بسیاری از زمینه‌های علمی و مهندسی از جمله هواشناسی، زمین‌شناسی، مهندسی مکانیک، آموزش شیمی و پزشکی بسیار مهم است. به عنوان مثال، در هواشناسی، تغییرات فشار در جو زمین نقش مهمی در ایجاد پدیده‌های جوی دارد. در مهندسی مکانیک، محاسبات فشار برای طراحی سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک ضروری است. همچنین، در پزشکی، اندازه‌گیری فشار خون یکی از مهم‌ترین پارامترهای تشخیصی است. با پیشرفت تکنولوژی، انتظار می‌رود در آینده شاهد توسعه تجهیزات و روش‌های جدید برای اندازه‌گیری و کنترل فشار باشیم. این پیشرفت‌ها به دانشمندان و مهندسان امکان می‌دهد تا پدیده‌های پیچیده فیزیکی و شیمیایی را بهتر درک کرده و کاربردهای جدیدی برای آن‌ها بیابند.