فشار مطلق چیست؟ | تعریف فشار ابسولوت و کاربردهای آن
آنچه در این مطلب میخوانید:
فشار مطلق (Absolute Pressure) کل فشار یک گاز یا سیال است که نسبت به خلا کامل اندازه‌گیری می‌شود. فشار مطلق یا ابسولوت همیشه بزرگتر یا مساوی صفر است و در واقع مجموع فشار اتمسفر و کمیت فشار گیج است. فشار ابسولوت در کاربردهای مختلفی مانند هواشناسی، مکانیک سیالات، فناوری خلا و ترمودینامیک برای اندازه‌گیری فشار اتمسفر، فشار سیال، فشار خلا و محاسبه خواص گازها و مایعات استفاده می‌شود. در این مقاله از DSO، به تعریف فشار مطلق چیست، فرمول آن، تفاوت فشار پیمانه ای و مطلق می‌پردازیم.
فشار مطلق چیست؟
فشار مطلق، به زبان ساده، فشار کل در یک نقطه خاص درون یک سیال است. در واقع فشار ابسولوت شامل تمام نیروهایی است که بر روی یک سطح در آن نقطه اعمال می‌شود. فشار مطلق شامل فشار ناشی از وزن خود سیال و فشار ناشی از هرگونه نیروی خارجی اعمال شده بر روی سیال است. فشار مطلق همیشه مثبت است؛ زیرا به‌عنوان فشار کل در یک نقطه نسبت به خلا کامل تعریف می‌شود. خلا کامل به معنای عدم وجود هرگونه ماده و طبیعتاً فشار صفر است؛ بنابراین، هر فشاری که در یک سیستم وجود داشته باشد، نسبت به خلا کامل بیشتر است و در نتیجه، فشار ابسولوت همیشه یک مقدار مثبت خواهد بود.
اگر بخواهیم تعریف فشار مطلق را خیلی خلاصه بگوییم در واقع به فشار ناشی از نداشتن ماده در داخل یک فضا یا یک خلا کامل گفته می‌شود. با اندازه‌گیری فشار ابسولوت می‌توانیم به یک نقطه مرجع برسیم. بهترین مثال از فشار مرجع مطلق، اندازه‌گیری فشار اتمسفر یا بارومتریک است. به‌منظور تولید یک سنسور فشار مطلق، سازنده خلا را در پشت دیافراگم سنسور مهروموم می‌کند؛ بنابراین اگر یک فرستنده فشار مطلق به هوا را باز نگه دارید، فشار بارومتریک واقعی را می‌خواند.
فرمول فشار مطلق
فرمول فشار ابسولوت بیان می‌کند که فشار مطلق در یک نقطه، برابر است با مجموع فشار اتمسفر در آن محل و فشار گیج در آن نقطه. به‌عبارت‌دیگر، برای محاسبه فشار مطلق، باید فشار اتمسفر را به فشار گیج اضافه کنیم. پس فرمول فشار مطلق به‌صورت زیر بیان می‌شود:
P_abs = P_atm + P_gauge
در این فرمول فشار مطلق:
P_abs: فشار ابسولوت (Absolute Pressure) را نشان می‌دهد که فشار کل یک نقطه خاص درون سیال است که نسبت به خلا کامل (فشار صفر) اندازه‌گیری می‌شود.
P_atm: فشار اتمسفر (Atmospheric Pressure) را نشان می‌دهد که فشار هوای اطراف در محل اندازه‌گیری است و معمولاً به‌عنوان یک مرجع برای اندازه‌گیری فشارهای دیگر استفاده می‌شود.
P_gauge: کمیت فشار گیج (Gauge Pressure) یا فشار پیمانه‌ای را نشان می‌دهد که فشار یک نقطه خاص درون سیال است که نسبت به فشار اتمسفر اندازه‌گیری می‌شود. فشار گیج می‌تواند مثبت (برای فشارهای بالاتر از فشار اتمسفر) یا منفی (برای فشارهای کمتر از فشار اتمسفر یا خلا) باشد.
فرض کنید فشار گیج در یک مخزن 50 کیلو پاسکال است و فشار اتمسفر در محل اندازه‌گیری 101.325 کیلو پاسکال است؛ بنابراین، فشار مطلق در مخزن 151.325 کیلو پاسکال است.
مطالعه بیشتر:
مثال‌هایی از فشار ابسولوت در زندگی روزمره
فشار ابسولوت یا مطلق ممکن است در نگاه اول یک مفهوم پیچیده به نظر برسد، اما در واقع در بسیاری از جنبه‌های زندگی روزمره ما حضور دارد. در زیر به چند مثال ساده اشاره می‌کنیم:
- فشار هوای داخل لاستیک خودرو یک نمونه واضح از فشار مطلق است که همان مجموع فشار هوای درون لاستیک و فشار جو می‌باشد.
- فشارخون ما نیز نوعی فشار ابسولوت است که توسط قلب ایجاد می‌شود تا خون را در سراسر بدن به گردش درآورد.
- وقتی در استخر یا دریا شیرجه می‌زنید، با افزایش عمق، فشار آب که نوعی فشار ابسولوت است، نیز افزایش می‌یابد.
- فشار هوای داخل و گاز دی‌اکسیدکربن یک قوطی نوشابه نیز یک فشار ابسولوت است.
- فشار هوای داخل توپ فوتبال نیز یک فشار ابسولوت است که بر اساس استانداردهای بازی تنظیم می‌شود.
این مثال‌ها نشان می‌دهند که فشار مطلق در بسیاری از پدیده‌های روزمره ما نقش دارد، حتی اگر به آن توجه نکنیم.
مقایسه کمیت فشار گیج با فشار مطلق
در این قسمت قصد داریم فشار ابسولوت را با کمیت فشار گیج نیز مقایسه کرد. برای درک بهتر فشار مطلق و پیمانه ای (گیج) بهتر است هر کدام را اول تعریف کنیم. فشار گیج نسبت به فشار جو یا اتمسفر اندازه‌گیری می‌شود. به‌عبارت‌دیگر، فشار گیج نشان می‌دهد که فشار در یک نقطه چقدر بیشتر یا کمتر از فشار هوای اطراف است. فشار گیج که به آن فشار پیمانه‌ای نیز گفته می‌شود نشان می‌دهد که فشار در یک نقطه چقدر بیشتر یا کمتر از فشار هوای اطراف است. در مقابل، فشار مطلق همیشه نسبت به خلا کامل اندازه‌گیری می‌شود که به معنای عدم وجود هرگونه ماده و فشار صفر است.
برای تفاوت فشار مطلق و پیمانه ای باید بگوییم که هر کدام کاربرد خاص خودشان را دارند. در برخی موارد، اندازه‌گیری فشار نسبت به خلا کامل اهمیت دارد، درحالی‌که در موارد دیگر، اندازه‌گیری فشار نسبت به فشار اتمسفر (فشار پیمانه‌ای) کافی است. به‌عنوان‌مثال، در سیستم‌های خلا، فشار مطلق برای کنترل و نظارت بر فرایندها ضروری است، درحالی‌که در بسیاری از سیستم‌های صنعتی، فشار پیمانه‌ای برای اندازه‌گیری فشار در مخازن، لوله‌ها و سایر تجهیزات کافی است.
مطالعه بیشتر:
کاربردهای فشار مطلق در صنایع مختلف
فشار مطلق معمولاً با استفاده از مبدل ترانسدیوسرهای فشار ابسولوت اندازه‌گیری می‌شود. ترانسدیوسر وسیله‌ای است که فشار را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند و بر روی یک متر یا ثبت داده‌های فشار نمایش می‌دهد. فشار مطلق در بسیاری از موارد و کاربردها اهمیت بالایی دارد. چون فشار ابسولوت بر اساس آب‌وهوا تغییر نمی‌کند و ثابت است، تصور دقیق‌تری از میزان فشار به وجود می‌آورد. در این قسمت کاربردهای مختلف فشار مطلق را مشاهده می‌کنید.
- سنجش میزان کارایی و عملکرد صحیح پمپ‌های خلا
- اندازه‌گیری فشار داخل مخزن تحت‌فشار برای جلوگیری از پارگی
- برای تعیین ارتفاع و جهت‌یابی توسط خلبانان هواپیما
- در هواشناسی برای ردیابی الگوها و پیش‌بینی آب‌وهوا
- برای کنترل جریان سیال هیدرولیک
- کنترل جریان هوای فشرده در سیستم‌های پنوماتیک
درک تعریف دقیق فشار ابسولوت و کاربردهای آن برای عملکرد صحیح بسیاری از سیستم‌ها و فرایندها حیاتی است. در ادامه برخی از مهم‌ترین کاربردهای فشار ابسولوت در صنایع مختلف را بررسی می‌کنیم.
- هوافضا
در صنعت هوافضا، فشار مطلق نقش حیاتی در طراحی، عملکرد و ایمنی هواپیماها و فضاپیماها ایفا می‌کند. ارتفاع‌سنج‌های هواپیماها با اندازه‌گیری فشار ابسولوت هوا، ارتفاع هواپیما را نسبت به سطح دریا تعیین می‌کنند. این اطلاعات برای ناوبری، فرود و جلوگیری از برخورد با موانع بسیار مهم است.
فشار ابسولوت در مخازن سوخت و سیستم‌های سوخت‌رسانی هواپیماها اندازه‌گیری می‌شود تا اطمینان حاصل شود که سوخت با فشار و جریان مناسب به موتورها می‌رسد. در هواپیماهای مسافربری، فشار ابسولوت داخل کابین باید در سطح مناسبی حفظ شود تا مسافران و خدمه در طول پرواز احساس راحتی کنند و دچار مشکلات ناشی از کمبود اکسیژن نشوند.
در آزمایشگاه‌ها و تونل‌های باد، فشار ابسولوت برای شبیه‌سازی شرایط مختلف پرواز و آزمایش عملکرد هواپیماها و فضاپیماها در این شرایط استفاده می‌شود. مهندسان هوافضا با در نظر گرفتن فشار ابسولوت، سازه‌های هواپیما را طراحی می‌کنند تا در برابر تنش‌های ناشی از تغییرات فشار در ارتفاعات مختلف مقاوم باشند.
- هواشناسی
فشارسنج‌های بارومتریک از فشار مطلق برای پیش‌بینی آب و هوا و اندازه‌گیری تغییرات فشار جوی استفاده می‌کنند. این ابزار برای اندازه‌گیری فشار اتمسفر (که نوعی فشار ابسولوت است) استفاده می‌شود. تغییرات فشار اتمسفر می‌تواند نشان‌دهنده تغییرات آب و هوایی باشد. به عنوان مثال، کاهش فشار اتمسفر اغلب با نزدیک شدن طوفان یا بارندگی همراه است.
مناطق با فشار اتمسفر بالا (پرفشار) معمولاً با هوای صاف و آفتابی همراه هستند، در حالی که مناطق با فشار اتمسفر پایین (کم‌فشار) اغلب با هوای ابری و بارندگی همراه هستند.
اختلاف فشار ابسولوت بین مناطق مختلف، عامل اصلی ایجاد باد است. هوا از مناطق پرفشار به سمت مناطق کم‌فشار حرکت می‌کند. هواشناسان با ردیابی تغییرات فشار ابسولوت، می‌توانند تشکیل و حرکت طوفان‌ها را پیش‌بینی کنند.
- صنایع شیمیایی
فشار مطلق در صنایع شیمیایی نقشی حیاتی در کنترل فرآیندها، تضمین ایمنی و حفظ کیفیت محصولات ایفا می‌کند. در راکتورها، فشار ابسولوت به دقت کنترل می‌شود تا واکنش‌های شیمیایی در شرایط بهینه انجام شوند و بازده محصول افزایش یابد. فشار خیلی کم یا خیلی زیاد می‌تواند منجر به واکنش‌های ناخواسته یا کاهش بازده شود.
در برج‌های تقطیر، فشار ابسولوت بر نقطه جوش مواد تأثیر می‌گذارد. با کنترل فشار، می‌توان جداسازی مؤثر اجزای مختلف یک مخلوط را انجام داد. همچنین در ورودی و خروجی پمپ‌ها و کمپرسورها اندازه‌گیری می‌شود تا عملکرد صحیح آنها تضمین شود و از آسیب دیدن تجهیزات جلوگیری شود.
در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی، فشار ابسولوت به عنوان یک پارامتر ایمنی مهم در نظر گرفته می‌شود. افزایش یا کاهش فشار بیش از حد مجاز می‌تواند نشان‌دهنده نشت یا وقوع یک حادثه باشد. همچنین این کمیت در مخازن ذخیره‌سازی و خطوط لوله انتقال مواد شیمیایی کنترل می‌شود تا از نشت، تبخیر یا انفجار جلوگیری شود.
- صنایع غذایی
فشار مطلق در صنایع غذایی برای حفظ کیفیت، تازگی و ایمنی مواد غذایی در مراحل مختلف تولید، بسته‌بندی و نگهداری بسیار اهمیت دارد. بسته‌بندی تحت خلا با حذف هوا از بسته‌بندی مواد غذایی، فشار مطلق داخل بسته را کاهش می‌دهد. این کار باعث افزایش ماندگاری مواد غذایی، جلوگیری از رشد باکتری‌ها و حفظ طعم و مزه اصلی می‌شود.
در فرآیندهایی مانند پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون، فشار ابسولوت داخل دستگاه‌های حرارتی کنترل می‌شود تا دمای مورد نیاز برای از بین بردن میکروارگانیسم‌های مضر حاصل شود و ایمنی مواد غذایی تضمین شود. در تولید محصولات تخمیری مانند ماست و پنیر، کنترل فشار برای رشد بهینه باکتری‌های مفید و تولید گازهای لازم برای ایجاد بافت و طعم مطلوب ضروری است.
- صنایع خودروسازی
فشار مطلق در صنعت خودروسازی برای عملکرد بهینه، ایمنی و کاهش مصرف سوخت خودروها بسیار اهمیت دارد. همچنین در سیستم ترمز برای ایجاد نیروی لازم جهت کاهش سرعت و توقف خودرو استفاده می‌شود. سنسورهای فشار مطلق در این سیستم، فشار مایع ترمز را اندازه‌گیری کرده و در صورت نیاز، به راننده هشدار می‌دهند.
فشار مطلق در سیستم سوخت‌رسانی برای تزریق سوخت به موتور با فشار مناسب کنترل می‌شود. این کار باعث بهبود عملکرد موتور، کاهش مصرف سوخت و کاهش آلایندگی می‌شود. فشار مطلق در سیستم تهویه مطبوع برای کنترل جریان مبرد (گاز خنک‌کننده) و حفظ دمای مطلوب داخل کابین خودرو استفاده می‌شود.
بهترین ابزار اندازه‌گیری فشار ابسولوت
اندازه‌گیری فشار مطلق نیازمند ابزارها و روش‌های خاصی است که بتوانند فشار را نسبت به خلا کامل بسنجند. ترانسدیوسرهای فشار بهترین ابزار اندازه‌گیری فشار ابسولوت هستند. این ابزارها از یک سنسور فشار مثل خازن و یک مدار الکترونیکی تشکیل شده‌اند. با اعمال فشار به سنسور، سیگنال الکتریکی تولید شده و به فشار مطلق تبدیل می‌شود. ترانسدیوسرهای مطلق نیز دقت و سرعت پاسخ بالایی دارند و برای اندازه‌گیری فشارهای مختلف مناسب هستند. همچنین آنها قابلیت اتصال به سیستم‌های کنترل و مانیتورینگ را دارند.
مانومترهای مطلق نیز دقت بالایی دارند و برای اندازه‌گیری فشارهای پایین و متوسط مناسب هستند. این ابزارها از یک محفظه حاوی خلا کامل و یک عنصر حساس به فشار تشکیل شده‌اند. با اعمال فشار به عنصر حساس، تغییر شکل آن اندازه‌گیری شده و به فشار مطلق تبدیل می‌شود.
البته در برخی موارد نیز می‌توان از ترکیب یک فشارسنج نسبی برای اندازه‌گیری فشار گیج و یک بارومتر برای اندازه‌گیری فشار اتمسفر استفاده کرد. بعد با استفاده از فرمول فشار مطلق و جمع این دو، می‌توان آن را محاسبه کرد.
جمع‌بندی
در این مقاله، به بررسی و تعریف فشار مطلق، روش‌های اندازه‌گیری آن و کاربردهای مختلف آن در صنایع پرداختیم. دریافتیم که فشار مطلق، به‌عنوان فشار واقعی نسبت به خلا کامل، مفهومی بنیادی در فیزیک و مهندسی است که درک آن برای توصیف و کنترل بسیاری از پدیده‌های طبیعی و صنعتی ضروری است. از صنایع هوافضا و هوانوردی گرفته تا سیستم‌های خلا و فرایندهای شیمیایی، در بسیاری از زمینه‌ها که نیاز به اندازه‌گیری دقیق و مستقل از شرایط محیطی وجود دارد، نقش مهمی دارد. مزایای فشار مطلق در ارائه اطلاعات دقیق و قابل‌اعتماد در مورد فشار واقعی، آن را به یک کمیت با ارزش در بسیاری از کاربردهای حساس تبدیل کرده است. در پایان، انتخاب بین فشار مطلق و پیمانه ای یا گیج، بستگی به نیازهای خاص هر کاربرد دارد. با درک بهتر مفهوم فشار ابسولوت و روش‌های اندازه‌گیری آن، می‌توانیم به بهره‌برداری بهینه از این کمیت در طراحی و کنترل سیستم‌های مختلف بپردازیم. اگر باز هم در این زمینه سوالی ذهن شما را درگیر کرده می‌توانید آن را در کامنت‌ها با ما در میان بگذارید تا پاسخ خود را خیلی سریع دریافت کنید.