فشار اتمسفریک چیست؟

در بیانی ساده به فشاری که ذره‌های موجود در هوا به سطح جسم وارد می‌کنند فشار گفته می‌شود. به وزن اعمال شده از بالای اتمسفر بر واحد سطح، فشار اتمسفریک گفته می‌شود. فشار اتمسفریک با نام های دیگری همچون فشار بارومتری و فشار اتمسفر زمین شناخته می‌شود. از طرفی مایع یا گاز به اجسامی که در آن‌ها غوطه‌ ور هستند، فشاری وارد می‌کنند. به این نوع فشار هیدروستاتیکی گفته می‌شود. فشار اتمسفریک بیشترین مقدار را درست در سطح زمین داراست. هر چه به سمت ارتفاعات بلند برویم فشار اتمسفریک کاهش می‌یابد. در سطح زمین برای سنجش دقیق فشار اتمسفریک سطح آب های آزاد را معیار اندازه گیری قرار داده اند. فشار در ISI واحد پاسکال را داراست. یک روش کلاسیک رایج برای اندازه گیری فشار استفاده از فشار سنج جیوه‌ای است. در ادامه این مقاله به بررسی فشار اتمسفریک می‌ پردازیم.

فشار هوا چیست

فیزیکدانی ایتالیایی به نام توریچلی نخستین کسی بود که توانست با انجام آزمایشی ساده ثابت کند که هوا فشار دارد. توریچلی با اندازه ‌گیری ارتفاع ستون جیوه در کنار دریا و بالای کوه توانست فشار اتمسفریک را اندازه گیری و ثبت نماید.

فشار اتمسفریک نیرویی است که بر سطح وارد می شود. این فشار برحسب وزن ستونی از هوا که در بالای آن نقطه وجود دارد، بر سطح وارد می‌ شود. فشار اتمسفریک حدود ۱ کیلوگرم بر سانتی ‌متر مربع در سطح آب ها و دریاهای آزاد اندازه گیری شده است. توجه شود که با افزایش ارتفاع از سطح زمین فشار اتمسفریک کاهش می‌ یابد، زیرا ارتفاع ستون هوای قرارگرفته در بالای سطح کاهش می یابد. درست همین قدر شگفت انگیز.

فشار اتمسفریک با نام فشار هوا سپهری و فشار بارومتریک نیز شناخته می شود. منظور از فشار اتمسفریک همان فشار داخل اتمسفر زمین است. اتمسفر استاندارد با نماد atm نشان داده می‌شود. اتمسفر استاندارد واحدی برای اندازه ‌گیری فشار بوده و با اعداد زیر برابر است.

• ۱۰۱٬۳۲۵ پاسکال
• ۷۶۰ میلی‌ متر جیوه
• ۲۹٫۹ اینچ جیوه
• ۱۴٫۶۹۶ پوند بر اینچ مربع

عوامل موثر بر فشار اتمسفریک

در لایه ‌های جو زمین فشار اتمسفریک ناشی از هوای محیط به عوامل مختلفی وابسته است. این عوامل چگالی هوا، ارتفاع از سطح زمین، دمای هوا و سرعت وزش باد هستند. بیشترین مقدار فشار اتمسفریک در سطح دریا مشاهده شده است. اما فشار اتمسفریک در ارتفاعات بالا به شدت به صورت تابعی نمایی کاهش می‌ یابد. اگر توجه کنید تخم مرغ در ارتفاعات زودتر پخته می‌شود. آب هم در ارتفاعات سریع تر به جوش می آید. دلیل این اتفاقات پایین بودن فشار اتمسفریک است. درواقع دما ارتباط مستقیم با فشار هوا دارد. بنابراین جو زمین را به لایه‌ هایی بر حسب رنج فشار طبقه بندی نموده‌اند. جالب است بدانید فشار اتمسفریک به تغییرات شدت تابش نور خورشید هم وابسته است.

با افزایش ارتفاع از سطح زمین فشار اتمسفریک چه تغییری می‌کند

کمیت‌های فیزیکی به دو دسته‌ تقسیم می شوند. کمیت‌ های نرده‌ای و کمیت‌ های برداری. کمیت‌ های نرده‌ ای صرفاً با یک عدد تعیین می‌ شوند؛ اما کمیت‌های برداری علاوه بر مقدار، جهت کمیت نیز مهم است. فشار کمیتی نرده‌ای بوده و از تقسیم نیروی عمودی وارد شده بر یک سطح مشخص بدست می آید. بنابراین با افزایش نیرو یا کاهش سطح مقطع، فشار نیز افزایش می یابد.

فشار اتمسفری در سطح زمین بیشترین مقدار را داراست. هر چه به سمت ارتفاعات بلند حرکت کنیم، فشار اتمسفریک کاهش می یابد. در سطح زمین معیار اندازه گیری سنجش دقیق فشار اتمسفری را سطح آب های آزاد قرار داده اند. این معیار در سراسر جهان یکسان است. در سطح آب های آزاد، میزان فشار اتمسفری در هر سانتی متر مربع یک کیلوگرم است. بنابراین با حرکت به اعماق زمین میزان فشار بیشتر و با حرکت به ارتفاعات میزان فشار کمتر خواهد شد.

پراکندگی فشار اتمسفریک در سطح زمین

تکرار رفتار لحظه ای هوا در بلند مدت می تواند الگویی میانگین را در پراکندگی فشار اتمسفری نشان دهد. این الگو انعکاسی از تاثیرات گردش عمومی جو است. درست است که در نقشه های میانگین فشار اتمسفریک، رفتارهای زود گذر و نادر دیده نمی شوند، اما رفتار های عمده و غالب چه در مقیاس محلی و چه در مقیاس جهانی نمود پیدا می کنند. بنابراین درست است که مطالعه نقشه های میانگین فشار اتمسفری در کاربرد موضعی یا کوتاه مدت کارایی چدانی ندارد، اما برای شناخت رفتارهای عمده و گردش عمومی هوا بسیار مهم است.

مراکز فشار اتمسفریک در سطح زمین تابع سیستم نصف النهاری گردش عمومی هوا بوده و به صورت کمربندی از استوا تا قطب قرار دارند. وضعیت خشکی و دریا در نیمکره شمالی اندکی این نظم را به هم زده و موجب شده است تا این مراکز به شکل مجزا در آیند.

گردش عمومی هوا در دراز مدت باعث به وجود آمدن کمربند های کم فشار در استوا، کمربند های پر فشار در مناطق جنب حاره، کم فشار در مناطق معتدله و مناطق قطبی شده است. بنابراین عرض‌ جغرافیایی‌، پراکندگی دریا ها و خشکی‌ ها و اختلاف درجه حرارت نواحی مختلف در کره زمین از عوامل موثر در پراکندگی افقی فشار اتمسفری خواهند بود.

فشار اتمسفریک را چگونه اندازه بگیریم

فشار اتمسفریک را می ‌توان با وسیله ای به نام بارومتر اندازه ‌گیری نمود. بارومتر جیوه ‌ای یکی از وسایل اندازه گیری فشار اتمسفریک است. این وسیله از لوله ای شیشه‌ ای و بلند که پر از جیوه است، تشکیل شده است. این لوله به صورت وارونه در ظرفی از جیوه قرار داده می شود. وقتی که لوله به صورت معکوس درون ظرف قرار گرفت، جیوه از بالای لوله به داخل ظرف جیوه انتقال خواهد یافت. بدین ترتیب در بالای لوله خلأ به وجود می‌ آید. به دلیل اختلاف فشار بین لوله و ظرف این اتفاق رخ می دهد. زمانی که فشار به تعادل رسید، ارتفاعی معادل با h برای جیوه موجود در لوله در نظر می گیرند.

سپس با استفاده از فرومول مخصوص مقدار فشار را از روی ارتفاع جیوه و موارد دیگر محاسبه می کنند.

رابطه فشار با عمق

فشار اتمسفریک برابر با یک یا ۱۰۱.۳۲۵ کیلو پاسکال است. این فشار را می توان به این صورت تعریف نمود؛ فشاری است که به‌ وسیله ستون آبی به طول ۱۰.۳ متر وارد می‌ گردد. بنابراین اگر فردی در عمق ۱۰.۳ متری زیر آب قرار داشته باشد، فشار یک اتمسفر هوا و فشار یک اتمسفر در اثر ستون آب به وی اعمال می‌ گردد. بنابراین فشاری برابر با ۲ اتمسفر بر این شخص در زیر آب وارد خواهد شد.

اندازه گیری فشار اتمسفریک توسط نقطه جوش آب

همان طور که می دانید آب خالص در دمایی برابر با ۱۰۰ درجه سانتی‌ گراد و فشار اتمسفری استاندارد می جوشد. درواقع آب در فشار استاندارد نقطه جوشی برابر با ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد داراست. آب زمانی به جوش می آید که فشار بخار با فشار اتمسفری اطراف آب برابر شود. بنابراین کاهش و افزایش فشار اتمسفری بر میزان نقطه جوش آب موثر خواهد بود. به طوری که آب در فشارهای کمتر، نقطه جوش پایین‌ تر و در فشار های بیشتر، نقطه جوش بالاتری دارد. یکی از روش هایی که به خصوص در گذشته و در اواسط قرن ۱۹ میلادی برای اندازه‌ گیری فشار هوا انجام می ‌گرفت، اندازه ‌گیری نقطه جوش آب در ارتفاعات مختلف بود. آن ها با کاهش و افزایش دمای جوش متوجه کاهش و افزایش فشار اتمسفری می شدند.

تغییرات قائم فشار اتمسفریک

همان طور که پیشتر نیز ذکر شد، فشار اتمسفری مرتبط با ارتفاع است و با افزایش ارتفاع کاهش می یابد. فشار اتمسفریک به میزان نصف فشار سطح دریا در ارتفاع پنج هزار متری می ‌رسد. فشار اتمسفر با ارتفاع از سطح زمین کاهش می یابد، اما رابطه ساده‌ای هم بین تغییرات در فشار اتمسفری و ارتفاع حاکم نیست. به طور تقریبی می‌توان گفت که فشار هوا در هر دویست و پنجاه و هفت متر ارتفاع به صورت یک تصاعد هندسی و با قدر مطلقی برابر با یک‌ سی‌ام کاهش می‌یابد.

علاوه بر ارتفاع، فشار اتمسفری با چگالی هوا نیز ارتباط نزدیکی دارد. درست به همین دلیل است که به نسبت ازدیاد ارتفاع، فشار سریع تری کاهش می‌یابد؛ زیرا چگالی هم کاهش یافته است. از طرفی چگالی هوا با درجه حرارت ارتباط تنگاتنگی دارد. ارتباط فشار هوا و درجه حرارت نیز که امری واضح است. جالب است بدانید که فشار هوا حتی با نیروی جاذبه نیز مرتبط است.

واحد فشار اتمسفریک

رایج ترین ترین واحد مورد استفاده در فشار  میلی بار است. فشار اتمسفریک در ۴۵ درجه عرض جغرافیایی، در هوای صفر درجه در سطح دریا (Normalpressure) نامیده می‌ شود. این فشار اتمسفریک برابر با هزار و سیزده میلی بار است. به فشارهای بیشتر از این مقدار، پر فشار و به فشار های کمتر از این مقدار، کم فشار گفته می شود.

واحد های اندازه گیری فشار

پاسکال

در سیستم بین ‌المللی فشار را برحسب پاسکال اندازه‌ گیری می‌ کنند. درواقع یک پاسکال عبارت است از تقسیم نیروی ۱ نیوتونی وارد شده بر یک سطح ۱ مترمربعی. پاسکال با علامت اختصاری Pa نمایش داده می شود.

اتمسفر

یکی از معمول‌ ترین و شناخته ‌شده ‌ترین واحد های اندازه ‌گیری فشار واحد اتمسفر است. اتمسفر برای سیالات بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. یک اتمسفر برابر با فشار ناشی از ستون آبی با بلندای ۱۰ متر است. هر یک اتمسفر با میانگین فشار هوای سطح آب‌های آزاد (مثلا شهر پاریس) برابر است.

بار

یکی دیگر از واحد های فشار اتمسفریک، واحد بار است. این واحد اندازه گیری در سال ۱۹۰۹ میلادی توسط یک هواشناس انگلستانی به نام ویلیام نایپر شاو به عنوان یکی از واحد های اندازه‌ گیری فشار معرفی شد. اختلاف فشار یک بار با فشار اتمسفر زمین بسیار ناچیز و چیزی در حدود یک درصد است.

psi

از مشهورترین واحد های اندازه‌ گیری فشار همین psi است. مهندسین در رشته‌ های متالورژی، مکانیک سیالات و شیمی با این واحد سر و کار زیادی دارند. واحد psi عبارت است از تقسیم یک پوند  نیرو بر سطحی با مساحت یک اینچ مربع.

میلی ‌متر جیوه

میلی‌ متر جیوه از پرکاربرد ترین واحد فشار اتمسفری است. واحد میلی ‌متر جیوه براساس اختلاف دو ستون جیوه در فشارسنج جیوه ‌ای به دست آمده است. یک میلی‌ متر جیوه فشار به وجود آمده از ستون جیوه با ارتفاع یک میلی‌ متر است. از کاربرد های آن اندازه گیری فشارخون است. پزشکان برحسب واحد میلی‌ متر جیوه فشار خون را اندازه می گیرند.

تور

یک فیزیک‌دان ایتالیایی به نام توریچلی در سال ۱۶۴۴ موفق به کشفی ارزشمند شد. وی توانست اصول کارکرد صحیح فشارسنج را کشف نماید. واحد تور به پاس زحمات این فیزیک‌دان برجسته نام ‌گذاری شد.

توجه

واحد های اندازه‌ گیری فشار را می‌ توان به راحتی با استفاده از روابط مشخص به یکدیگر تبدیل نمود. درواقع فرمول هایی برای تبدیل واحد فشار اتمسفری طراحی شده است.

سخن آخر

فشار اتمسفری از جمله مفاهیم مهم در زندگی بشمار می آید. فشار اتمسفری به قدری مهم است که حتی تغییر در آن منجر به تغییر در اقلیم خواهد شد. مانند آنچه در سیستم Trough و Ridge مشاهده می شود. بنابراین ما در نشریه علمی جهان شیمی فیزیک سعی بر آن داشتیم تا با شناخت و بررسی فشار اتمسفریک شما را با این موضوع علمی بیشتر آشنا کنیم.