تبدیل واحد فشار – به زبان ساده

در علوم شیمی، فیزیک و مهندسی، از واحدهای مختلف فشار استفاده می‌کنند. برخی مواقع، تبدیل واحد فشار برای دانشجویان و دانش‌آموزان به یک مشکل بزرگ تبدیل می‌شود و سردرگمی بسیاری به همراه دارد. در این آموزش، در خصوص واحد‌های مختلف فشار و تبدیل واحد فشار به بحث می‌پردازیم. این آموزش، در ادامه آموزش‌های تبدیل واحدهای دما، حجم، جرم، طول، سرعت و زمان ارائه شده است.

فشار چیست؟

زمانی که در خصوص فشار صحبت می‌کنیم، با یک کمیت فیزیکی سروکار داریم. برای اینکه فهمی از واحدها و تبدیل واحد فشار داشته باشیم، باید تعریف مختصری در خصوص فشار ارائه کنیم.

فیلم آموزش فیزیک ۳ – پایه دوازدهم رشته ریاضی و تجربی – مرور و حل تمرین در فرادرس

کلیک کنید

همانطور که در دروس مختلف فیزیک مطالعه کرده‌اید، فشار عبارتست از نیروی عمود بر سطح. نمایش فرمولی این تعریف به صورت زیر است:

$$P = \frac{F}{A}$$

در متون علمی مختلف، علامت فشار را با $$P$$ یا $$p$$ نشان می‌دهند. اما در عمل، عبارت نیروی عمود بر سطح به چه معناست؟ این عبارت بیان می‌کند نیروی خاصی وجود دارد که بر سطح بخصوصی اثر می‌گذارد. زمانی که در مورد نیرو صحبت می‌کنیم، بر اساس قانون دوم نیوتون، با حاصلضرب جرم در شتاب سروکار داریم. با توجه به اینکه واحدهای مهندسی مختلفی در خصوص جرم و سطح بکار گرفته می‌شوند، ترکیب این واحد‌ها نیز بسیار زیاد است. علاوه بر این، واحدهای مختلف فشار نیز وجود دارند که به طور مستقیم جرم و مساحت را در خود ندارند اما در هر صورت، دربردارنده مفهومی از این عبارات هستند.

خوب است بدانید که در عمل، واژه «فورس» (Force) یا همان نیرو، در واحدهای فشار مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. به طور مثال، واحد فشارِ کیلوگرم‌فورس بر سانتی‌متر مربع را باید به صورت $$kgf / cm^ 2$$ نشان داد اما معمولا بدون حرف $$f$$ و به صورت $$kg / cm^ 2$$ نمایش داده می‌شود. به طور مشابه، پوند‌فورس بر اینچ مربع $$(pfsi)$$ را به شکل پوند بر اینچ مربع یا $$psi$$ نمایش می‌دهند.

سیستم SI

بهتر است برای درک بهتر تبدیل واحد فشار و واحدهای مختلف فشار، نگاهی به سیستم SI بیاندازیم. سیستم SI،‌ معیاری جهانی برای واحد‌های مختلف به شمار می‌آید که در سال 1960 معرفی شد اما پیشینه تاریخی بیش از این مقدار دارد.

واحد فشار SI

واحد SI برای فشار،‌ پاسکال $$(Pa)$$ است که به صورت نیوتون بر متر مربع $$N/m^2$$ تعریف می‌شود. نیوتون نیز به صورت گیلوگرم‌متر بر مجذور ثانیه $$kgm/ s^ 2$$  قابل تعریف است.

پاسکال، واحد فشار بسیار کوچکی به شمار می‌آید. به طور مثال، فشار اتمسفری را برابر با 101325 پاسکال ذکر می‌کنند. جدا از تعریف پاسکال، کیلوگرم‌ را می‌توان با واحد‌هایی همچون گرم و متر را می‌توان با واحد‌های مثل سانتی‌متر یا میلی‌متر جایگزین کرد. با این کار،‌ واحد‌های مختلفی از فشار را به شکل زیر خواهیم داشت:

$$\operatorname{kg} \mathrm{f} / \mathrm{m}^{2}, \mathrm{gf} / \mathrm{m}^{2}, \operatorname{kgf} / \mathrm{cm}^{2}, \mathrm{gf} / \mathrm{cm}^{2}, \mathrm{kgf} / \mathrm{mm}^{2}, \mathrm{gf} / \mathrm{mm}^{2}$$

تبدیل واحد فشار برای پاسکال را می‌توان به صورت زیر تعریف کرد:

$$1 \mathrm{Pa}=1 \mathrm{N} / \mathrm{m}^{2} \equiv 1 \mathrm{kg} / \mathrm{m} \cdot \mathrm{s}^{2}$$

بار

واحد «بار» (bar) نیز از جمله‌ واحد‌هایی است که در مواردی مورد استفاده قرار می‌گیرد و بر پایه سیستم متریک بنا شده است اما بخشی از واحد SI به شمار نمی‌آید. از واحد بار استفاده کمتری می‌شود اما با توجه به کوچک‌ بودن واحد پاسکال، کاربردهایی در خصوص فشار‌های بالاتر دارد. تبدیل واحد بار به پاسکال به صورت زیر است:

$$1 bar = 100000 Pascal = 100kPa$$

همانند سایر واحدهای فشار، می‌توانیم از ضرایب و پیش‌وندهای مختلف برای تبدیل واحد فشار استفاده کنیم. این ضرایب عبارتند از:

• میلی: $$\frac{1}{100}$$
• سانتی: $$\frac{1}{10}$$
• هکتو: $$100$$
• کیلو: $$1000$$
• مگا: $$1000000$$

باوجود اینکه در بسیاری از کشورها، از واحد‌های SI استفاده می‌کنند، اما همچنان کشورهایی هستند که در محاسبات مهندسی خود، از واحدهای دیگری استفاده می‌کنند. بهتر است تا نگاهی به این واحد‌ها بیاندازیم.

واحد‌های انگلیسی

کشورهایی همچون آمریکا و انگلیس، به طور معمول از «واحد‌های انگلیسی» (Imperial Units) استفاده می‌کنند که در واحدهایی همچون جرم و مساحت، با SI تفاوت دارند. در نتیجه، این تفاوت‌ها،‌ واحد‌های فشاری مختلفی را بوجود می‌آورند. در سیستم‌های انگلیسی، جرم را به صورت پوند یا اونس مطرح می‌کنند. همچنین،‌ مساحت و فاصله نیز برحسب فوت و اینچ بیان می‌شوند. در نتیجه، برخی از واحد‌هایی که در خصوص فشار وجود دارند به صورت زیر تعریف می‌شوند:

$$lbf/f^2 , psi, ozf/in^2, inH2O, ftH_2O$$

از جمله‌ واحدهای فشار پرکاربردی که در آمریکا مورد استفاده قرار می‌گیرند، پوند بر اینچ مربع $$(psi)$$ و اینچ آب $$(inH2O)$$ است.

ستون مایع

دستگاه‌های اندازه‌گیری فشار در گذشته با استفاده از یک مایع در لوله‌ای U شکل، فشار را اندازه‌گیری می‌کردند. اگر فشار در دوطرف لوله یکسان باشد،‌ سطح مایع نیز در دو طرف یکسان است اما در صورتیکه اختلاف فشاری بین دو طرف لوله وجود داشته باشد، سطوح مایع در دوطرف نیز با یکدیگر اختلاف دارند. این اختلاف سطح، با اختلاف فشار، رابطه‌ای خطی دارد.

فیلم آموزش فیزیک – پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

در عمل، زمانی که بخواهید فشاری را اندازه‌گیری کنید، یک سر لوله به محل مورد نظر متصل می‌شود و سر دیگر در فشار اتمسفری قرار می‌گیرد. به فشار اندازه‌گیری شده در این حالت، «فشار گیج» (Gauge Pressure) می‌گویند. توجه داشته باشید که در فشار گیج،‌ یک سر لوله در فشار اتمسفر قرار دارد.

در طول لوله U شکل، مقیاس‌های فشار نوشته شده‌اند و به راحتی این اختلاف فشار را می‌توان با نگاه به اختلاف سطح، محاسبه (خوانش) کرد. استفاده از این روش، بسیار ساده است و نیاز به ابزارهای الکترونیکی ندارد اما در استفاده از این روش‌، محدودیت‌هایی وجود دارد که در ادامه به آن‌ها خواهیم پرداخت.

به طور معمول، از آب در این ستون‌ها استفاده می‌شد. اما برای اندازه‌گیری فشارهای بالاتر به کمک لوله‌های کوچک‌تر، مایعاتی چگال‌تر مورد نیاز بود. یکی از این مایعات، جیوه است. با توجه به سنگینی 13/6 برابری جیوه نسبت به آب، به هنگام استفاده از آن، برای اندازه‌گیری فشارهای بالا، نیازی به استفاده از لوله‌های بلند نیست. به طور مثال، در گذشته، فشار خون را به کمک ستون جیوه اندازه‌گیری می‌کردند.

از جیوه بیشتر به این دلیل استفاده می‌شود چراکه در فشاری برابر، ستون کوتاه‌تری در مقایسه با ستون آب مورد نیاز است. امروزه، واحد فشار خون را معمولا با میلی‌متر جیوه $$mmHg$$ بیان می‌کنند. تبدیل واحد فشار برای ستون آب و جیوه در زیر آورده شده است:

$$1 \ inH_2O = 1.86645 \ mmHg$$

$$1.86645 \ mmHg = 0.0193368\ psi$$

سطح مایع مخزن

یکی از کاربردهای صنعتی استفاده از فشار ستون مایع، اندازه‌گیری سطح مایع در یک مخزن (تانکر) است. به طور مثال، اگر مخزنی به ارتفاع ۲۰ فوت (در حدود ۶ متر) داشته باشید، برای اندازه‌گیری سطح مایع، کافی است تا فشار‌سنجی با مقیاس ۰-20 به آن متصل کنید تا با خوانش آن، به طور مستقیم سطح مایع در مخزن اندازه‌گیری شود که در این مثال، برابر با ۱۳ فوت خواهد بود.

واحدهای فشار در ستون مایع

بوضوح می‌توان دریافت که با توجه به طول لوله U شکل، واحدهای مختلفی از طول نیز برای آن بکار گرفته شده است. نتیجه این کار، بوجود آمدن واحدهای مختلف فشار اعم از متریک و غیرمتریک بود. با وجود سادگی استفاده از ستون مایع، این نکته را باید به خاطر داشته باشیم که وزن مایع به نیروی گرانش وابسته است. بنابراین، اگر ستون را در محلی کالیبره و از آن در محلی دیگر و ارتفاع متفاوت استفاده کنید، فشار مورد نظر به درستی اندازه‌گیری نمی‌شود و برای اندازه‌گیری دقیق آن باید تصحیحاتی اعمال شود.

همچنین، دمای مایع، بر چگالی مایع و خوانش فشار تاثیرگذار است. ستون‌های مایع مختلفی ساخته شده‌ که بر اساس دماهای مختلف، مقیاس‌بندی شده‌اند. معمول‌ترین دماهای مورد استفاده، ۰ و ۴ درجه سانتی‌گراد و 60 و 64 درجه فارنهایت است. همچنین، ستون‌های مایع مختلفی وجود دارند که بر اساس چگالی آب، یعنی $$1 kg/liter$$ بنا شده‌اند و نشانی از دما در آن‌ها نیست. در عمل، چگالی آب هیچ‌گاه چنین زیاد نخواهد بود. بیشترین چگالی آب در دمای 4 درجه سانتی‌گراد و برابر با $$0.999972\ kg/liter$$ ذکر شده است.

اگر دما، بیشتر یا کمتر از این مقدار باشد، چگالی آب کمتر خواهد بود. به عبارت دیگر، دما، تاثیر چشمگیری بر چگالی دارد به گونه‌ای که افزایش دما از 4 به 30 درجه سانتی‌گراد، چگالی آب را در حدود 0/4 درصد تغییر می‌دهد.

محدودیت‌ها

در نهایت، خوانش فشار به کمک ستون‌های مایع، با محدودیت همراه است و نمی‌توان سنجش دقیقی از فشار بدست آورد. همچنین، به دلیل محدودیت‌هایی که این روش دارد، نمی‌توان از آن در فشارهای بالا بهره گرفت. تمامی محدودیت‌هایی که به آن اشاره شد، سبب می‌شود تا نتوان از ستون‌های لوله به شکل عملی استفاده کرد. در زیر، به طور خلاصه، موارد ذکر شده در خصوص ستون مایعات آورده شده است:

• در خصوص طول، واحدهای مختلفی همچون میلی‌متر،‌ سانتی‌متر، متر، اینچ و فوت مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• از آب و جیوه به طور معمول در ستون‌ها استفاده می‌کنند.
• مقیاس‌های مختلفی برای دماهای مختلف در ستون‌ها در نظر گرفته شده است.

با ترکیب تمامی شرایط بالا،‌ واحدهای فشار مختلفی بدست می‌آید که در زیر آورده شده‌اند:

میلی‌متر آب، میلی‌متر جیوه، فوت آب، اینچ آب، فوت جیوه، اینچ جیوه و ...

واحدهای اتمسفری

برای اندازه‌گیری فشارهای اتمسفری و مطلق، واحدهای مختلفی معرفی شده‌اند. یکی از این واحدها، اتمسفر استاندارد یا همان $$(atm)$$ نام دارد. هر اتمسفر برابر با 101325 پاسکال است.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم – بخش فیزیک در فرادرس

کلیک کنید

علاوه بر این،‌ واحد دیگری به نام «اتمسفر فنی» (Technical Atmosphere) وجود دارد که به atm بسیار نزدیک است و آن را با at نشان می‌دهند. اتمسفر فنی را به صورت یک گیلوگرم فورس بر سانتی‌متر مربع تعریف می‌کنند. بنابراین، هر at برابر با $$0.968 atm$$ خواهد بود. تبدیل واحد فشار برای واحدهای اتمسفری در زیر آورده شده است:

$$1 atm = 101325 \ Pa$$

$$1\ at = 0.968 \ atm$$

واحد فشار دیگری که برای اندازه‌گیری فشار مطلق از آن بهره می‌گیرند، «تور» (Torr) است. واحد تور را برابر با ۱ میلی‌متر جیوه ذکر می‌کنند. توجه داشته باشید که تور، واحدی از SI نیست. تبدیل واحد فشار برای تور در زیر آمده است:

$$1 \ Torr = 0.0013579 \ atm$$

$$1 \ Torr =1 \ mmHg$$

واحد فشار cgs

حروف cgs، مخفف عبارات «سانتی‌متر-گرم-ثانیه» است. همانطور که از نام آن پیداست. این سیستم cgs، نوع دیگری از سیستم SI به شمار می‌آید با این تفاوت که به جای بکارگیری متر، از سانتی‌متر و به جای بکارگیری گرم، از کیلوگرم استفاده می‌شود.

سیستم cgs، سیستمی قدیمی است و جایگزین سیستم قدیمی‌تر MKS یعنی «متر-کیلوگرم-ثانیه» بود که این سیستم هم بعدها با SI جایگزین شد. واحد فشار در سیستم cgs موسوم به «باری» (Barye) است. تبدیل واحد فشار برای «باری» را در زیر ملاحظه می‌کنید:

$$1 Barye = 1.4038\times 10^ {-5}$$

$$1 Barye = 1 dyn/cm^2$$

در خصوص رابطه بالا، باید ذکر کرد که هر «دین» (Dyne) نیروی مورد نیاز برای شتاب جسمی به جرم یک گرم با شتاب یک سانتیمتر بر مجذور ثانیه است.

$$1 Barye = 0.1 \ Pascal$$

استانداردهای تبدیل واحد فشار

مهندسان همواره با تبدیل واحدهای مختلفی سروکار دارند. همانطور که واحد‌های فشار، بر اساس استانداردهایی تدوین شده‌اند،‌ تبدیل واحد فشار نیز بر اساس استانداردهایی صورت می‌گیرد. استانداردهای تبدیل واحد فشار در زیر آورده شده‌اند:

• سیستم SI
• ایزو $$31-3$$
• ایزو $$8000-4:2006$$
• $$BS 350$$
• $$PTB-Mitteilungen\ 100 3/90$$
• «هندبوک مهندسی شیمی پری» (Perry’s Chemical Engineer’s Handbook)

جدول تبدیل واحد فشار

در جدول زیر، تبدیل واحد فشار برای واحدهای مختلف آورده شده است که می‌توانید از آن‌ها در محاسبات خود استفاده کنید.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده‌ است،‌ آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آموزش شیمی عمومی
• حجم مولی — به زبان ساده
• جرم مولی — به زبان ساده

^^