فشار اتمسفریک چیست؟ — به زبان ساده

فشار اتمسفریک به وزن اعمال شده بالای اتمسفر بر واحد سطح می‌گویند. فشار اتمسفریک را می‌توان به کمک فشارسنج (بارومتر) جیوه‌ای اندازه‌گیری کرد. در تعریفی دیگر، فشار اتمسفریک که با نام فشار بارومتری نیز شناخته می‌شود، به فشار اتمسفر زمین می‌گویند. در بیشتر مواقع، فشار اتمسفری با تخمین دقیقی توسط فشار هیدرواستاتیک ناشی از وزن هوای بالای نقطه‌ای مرجع محاسبه می‌شود. هر قدر ارتفاع افزایش می‌یابد، جرم اتمسفر بالای نقطه مرجع کاهش پیدا می‌کند و بنابراین، با افزایش ارتفاع، فشار اتمسفریک کاهش می‌یابد.

همانطور که می‌دانید، فشار به صورت نیروی وارد بر واحد سطح تعریف می‌شود و واحد فشار در SI نیز پاسکال است. به طور متوسط، ستونی از هوا با سطح مقطع ۱ سانتی‌متر مربع در سطح دریا، جرمی برابر با ۱/۰۳ کیلوگرم دارد و نیرویی معادل ۱۰/۱ نیوتون وارد می‌کند که این فشار، معادل ۱۰۱ کیلوپاسکال است.

اندازه گیری فشار اتمسفریک

همانطور که گفته شد، فشار اتمسفریک را می‌توان به کمک یک بارومتر اندازه‌گیری کرد. این بارومتر جیوه‌ای از یک لوله شیشه‌ای بلند و پر از جیوه تشکیل شده که به صورت وارونه درون ظرفی از جیوه قرار گرفته است. زمانیکه لوله به صورت معکوس در ظرف قرار می‌گیرد، جیوه از بالای لوله به داخل ظرف منتقل می‌شود. در اثر این اتفاق، در بالای لوله حالت خلاء بوجود می‌آید.

فیلم آموزش مکانیک سیالات 1 – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

در حقیقت، این اتفاق به دلیل اختلاف فشار بین لوله و ظرف بوجود می‌آید و زمانی که فشار به تعادل برسد، ارتفاعی معادل $$h$$ برای آن در نظر می‌گیرند.

در این ارتفاع، فشار اعمال شده بر جیوه در دو نقطه «A» و «B» با یکدیگر برابر هستند. فشار نقطه A، فشار ستون جیوه است درحالیکه فشار نقطه B، فشار اتمسفر بالای آن است. فشار نقطه A را به کمک ارتفاع h محاسبه می‌کنیم.

$$\begin{equation} P_{A}=\rho _{H g} g h \end{equation}$$

در رابطه بالا، چگالی جیوه برابر با ۱۳/۶ گرم بر سانتی‌متر مکعب و شتاب گرانش، برابر با ۹/۸ متر بر مجذور ثانیه است. مقدار متوسط h در سطح دریا، حدود ۷۶ سانتی‌متر ذکر می‌شود. بنابراین، با استفاده از اعداد بالا، فشار اتمسفریک برابر با 101۳۲۵ پاسکال خواهد بود.

تغییرات ارتفاع

فشار در زمین با تغییر ارتفاع، تغییر می‌کند. در نتیجه، فشار هوا در کوه‌ها به طور معمول، پایین‌تر از فشار هوا در سطح دریا است. فشار به آرامی از سطح زمین تا بالای مزوسفر تغییر می‌کند. با وجود این‌که فشار با تغییرات آب‌و‌هوا تغییر می‌کند اما به طور میانگین، با افشار ارتفاع، فشار اتمسفریک کاهش می‌یابد.

دما و رطوبت نیر بر فشار اتمسفری تاثیرگذار هستند و اگر بخواهیم، به طور دقیق این مقدار را محاسبه کنیم باید چنین عواملی را هم در نظر بگیریم. در نمودار زیر، تغییرات فشار اتمسفریک را در دمای ۱۵ درجه سانتی‌گراد و رطوبت صفر درصد مشاهده می‌کنید.

بالاتر از سطح دریا، به ازای هر ۱۰۰ متر، فشار به اندازه ۱/۲ کیلوپاسکال کاهش می‌یابد. در ارتفاعات بیشتر (داخل تروپوسفر)، از رابطه زیر موسوم به رابطه بارومتری بهره می‌گیریم که فشار اتمسفریک $$(p)$$ را به ارتفاع $$(h)$$ مرتبط می‌کند.

$$\begin{equation} \begin{aligned} p &=p_{0} \cdot\left(1-\frac{L \cdot h}{T_{0}}\right)^{\frac{g \cdot M}{R_{0} \cdot L}} \\ &=p_{0} \cdot\left(1-\frac{g \cdot h}{c_{\mathrm{p}} \cdot T_{0}}\right)^{\frac{c_{\mathrm{p}} \cdot M}{R_{0}}} \approx p_{0} \cdot \exp \left(-\frac{g \cdot h \cdot M}{T_{0} \cdot R_{0}}\right) \end{aligned} \end{equation}$$

در جدول زیر، پارامترهای ثابت رابطه بالا و مقدار آن‌ها آورده شده است:

تغییرات محلی فشار اتمسفری

فشار اتمسفریک به طور گسترده‌ای بر روی زمین تغییر می‌کند و این تغییرات در مطالعه آب‌و‌هوا و اقلیم، اهمیت دارند. فشار اتمسفری در اثر جزر و مد جوی، چرخه‌ای روزانه (یا 2 بار در روز) نشان می‌دهد. این اثر در نواحی استوایی بیشتر و در مناطق قطبی نزدیک به صفر است.

فیلم آموزش مکانیک سیالات – مرور و حل تست کنکور ارشد در فرادرس

کلیک کنید

اندازه گیری فشار بر اساس عمق آب

فشار ۱ اتمسفر (۱۰۱/۳۲۵ کیلوپاسکال) همچنین فشاری است که توسط ستون آبی به طول ۱۰/۳ متر اعمال می‌شود. بنابراین اگر شخصی در عمق ۱۰/۳ متری در زیر آب قرار بگیرد، فشار ۱ اتمسفر هوا و فشار ۱ اتمسفر در اثر ستون آب به او وارد می‌شود و در مجموع، فشاری معادل ۲ اتمسفر را احساس می‌کند.

نقطه جوش آب

آب خالص در دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد و در فشار اتمسفریک استاندارد به جوش می‌آید. به بیان دیگر، نقطه جوش آب در فشار استاندارد برابر با ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است. نقطه جوش آب به دمایی می‌گویند که در آن، فشار بخار با فشار اتمسفریک اطراف آب برابر شود. به همین دلیل، نقطه جوش اب در فشارهای کمتر، پایین‌تر و در فشارهای بیشتر، بالاتر است. از جمله روش‌هایی که برای اندازه‌گیری فشار هوا انجام می‌دهند، اندازه‌گیری نقطه جوش آب در ارتفاعات مختلف است که در اواسط قرن نوزدهم مورد استفاده قرار می‌گرفت.

بررسی پروفایل عمودی فشار و دما

در تصویر زیر، روند تغییرات عمودی فشار و دمای اتمسفر نشان داده شده است. همانطور که در تصویر مشاهده می‌شود، فشار به صورت نمایی با افزایش ارتفاع، کاهش پیدا می‌کند. در ارتفاع ۸۰ کیلومتری، فشار اتمسفری به ۰/۰۱ هکتو پاسکال (هر هکتو پاسکال برابر با ۱۰۰ پاسکال است.) می‌رسد به این معنی که ۹۹/۹۹ درصد اتمسفر، پایین‌تر از این ارتفاع قرار دارد.