تعریف فشار

مایعات چیست؟

ماده در چندین حالت وجود دارد. این حالت ها به عنوان حالت های فیزیکی یا حالت های ماده شناخته می شوند. سه حالت اول ماده به خوبی شناخته شده است زیرا ما می توانیم آنها را در زندگی روزمره تجربه کنیم. آنها حالتهای جامد ، مایع و گازی دارند (شکل 3-3). حالت های “دیگر” در حال حاضر مورد توجه نیست ، زیرا آنها فقط در شرایط جسمی شدید رخ می دهند.( فشار )

ماده ، یا در حالت مایع یا گازی خود ، یک سیال است و اگرچه مایعات و گازها در برخی شرایط متفاوت واکنش نشان می دهند ، اما مشخصات اصلی مایعات را دارند. یعنی وقتی یک نیروی برشی بر روی آن اعمال شود ، یک مایع به طور مداوم تغییر شکل می دهد. بر خلاف جامدات ، که در پاسخ به یک نیرو تغییر زیادی نمی دهند ، مایعات تا زمانی که نیرو اعمال شود تغییر شکل می یابند و تغییر شکل می یابند (شکل 3-2). هنگام بسته شدن در ظرف بسته ، مایعی شکل ظرف را می گیرد. یک مایع محصور فقط کف ظرف را اشغال می کند ، نه تمام فضای موجود مانند گاز.

فرضیه پیوسته

مایعات مانند مواد جامد ، از مولکولهایی هستند که با یکدیگر در تعامل هستند. ردیابی سرعت و موقعیت هر یک از این مولکول ها تقریباً غیرممکن است ، بنابراین فرضیه ای برای ساده سازی مدل ها و محاسبات در مکانیک سیال انجام می شود. این فرض فرضیه پیوسته است ، فرض بر این است که تأثیر ویژگیهای فردی مولکولها در مقایسه با خصوصیات کل مایع ناچیز است. بنابراین ، با توجه به فرضیه پیوسته ، یک عنصر با حجم کم (∙ ∙) خواصی از قبیل فشار ، دما ، چگالی و سرعت را تعریف کرده است (شکل 3-4). فرضیه پیوسته همچنین نیاز دارد که این خصوصیات به طور مداوم بین دو عنصر حجم مجاور تغییر کند. از این رو ، فرضیه پیوسته مستلزم این است که مایع به جای اینکه از مولکولهای فردی ساخته شود ، بر کل حجم آن پیوسته است.

مشخصات اصلی مایعات چیست؟

چهار ویژگی اصلی مایعات چگالی ، وزن مخصوص ، ویسکوزیته پویا و فشار بخار است. در این بخش جزئیاتی در مورد این چهار ویژگی ارائه شده است.

تراکم

چگالی یک سیال ، نسبت جرم آن به ازای هر واحد حجم است ، یعنی

چگالی یک ماده با فشار متفاوت است. این تغییر معمولاً برای مایعات و مواد جامد اندک است ، اما برای گازها بسیار مهم است زیرا بسیار فشرده می شوند. افزایش فشار وارد شده به گاز تا حد زیادی بر چگالی آن تأثیر می گذارد. در مقابل ، مایعات نسبتاً غیر قابل فشرده هستند و افزایش فشار باعث تغییر چشمگیر چگالی آنها نمی شود. تراکم واحدهای کیلوگرم بر متر مکعب (کیلوگرم بر متر مکعب) در واحد SI و پوند بر فوت مکعب (lb / ft3) در واحدهای عادی آمریکا دارد. چگالی مواد جامد و مایعات نیز با تغییر دما تغییر می یابد ، در صورت نیاز به تراکم یک موضع فرعی در دمای خاص به چگالی به عنوان تابعی از جدول دما مراجعه کنید.

وزن مخصوص

وزن مخصوص یا تراکم نسبی ، نسبت تراکم یک ماده به چگالی حجم مساوی از آب است:

از آنجا که چگالی با دما و فشار متفاوت است ، معمولاً وزن مخصوص آن در 4 درجه سانتیگراد (39.4 درجه فارنهایت) و در فشار عادی جوی اندازه گیری می شود. در این شرایط ، چگالی آب 1000 کیلوگرم بر متر مکعب (4/62 کیلوگرم بر فوت در ثانیه) است. از آنجا که یک نسبت یک عدد بدون بعد است ، وزن مخصوص هیچ واحدی ندارد.

ویسکوزیته پویا

ویسکوزیته یک سیال ظرفیت آن برای مقاومت در برابر تغییر شکل است. در ضمن ، ویسکوزیته اندازه گیری می کند که چگونه یک مایع به راحتی جریان می یابد. ویسکوزیته پویا دارای واحد پاسکال ثانویه (Pa) در واحدهای SI و نیروی پوند در هر ثانیه ثانویه (lbf / ft ·) در واحدهای عادی ایالات متحده است. ویسکوزیته دینامیکی گاهی اوقات در C.G.S اندازه گیری می شود. واحد سموم (P) ، که در آن 1P برابر با 0.1 Pa · s یا 0.067 lbf / ft · s است. دما تأثیر قابل توجهی در ویسکوزیته دارد. ویسکوزیته مایعات با افزایش دما ، بر خلاف ویسکوزیته گازها ، که با افزایش دما افزایش می یابد ، کاهش می یابد.

فشار بخار

فشار بخار ، فشاری است که توسط بخار یک مایع یا جامد ایجاد می شود. هنگامی که بخار در مرحله تعادل با فاز جامد یا مایع ماده قرار دارد ، فشار بخار برای دمای معین اندازه گیری می شود. فشار بخار یک فشار است ، بنابراین واحد واحدهای کیلو پاسکال (kPa) در واحد SI و پوند در هر اینچ مربع (psi) در واحدهای عادی آمریکا دارد.

تراکم پذیری

تفاوت دیگر مایعات و گازها ، تراکم پذیری آنها است. تراکم پذیری ظرفیت مایعات برای کاهش حجم در هنگام فشار است. مایعات نسبتاً غیر قابل فشار هستند در حالی که می توان گازها را فشرده کرد. عدم فشار ناپذیری مایعات نشان می دهد که فشار آنها هنگام محصور شدن و تحت فشار قرار گرفتن به سرعت افزایش می یابد. سیستم های هیدرولیک از این خاصیت مایعات برای ایجاد فشار بسیار بالا استفاده می کنند و مقادیر عظیمی از انرژی را به عناصر دیگر منتقل می کنند.

فشار هیدرواستاتیک

فشار مقدار نیرویی است که در واحد سطح اعمال می شود:

یک مایع ایده آل نمی تواند نیروی برشی را تحمل کند. بنابراین ، نیروهای موجود در یک عنصر با حجم کوچک فقط با نیروهای عادی برابر هستند ، همانطور که شکل 3-5 نشان می دهد. در حالت استراحت ، فشاری که یک مایع روی یک عنصر با حجم کم اعمال می کند ، فقط به وزن مایع بالای این عنصر بستگی دارد. فشار ناشی از وزن مایع متناسب با عمق اندازه گیری فشار و فقط به این عمق است. شکل کشتی هیچ تأثیری در فشار هیدرواستاتیک ندارد. به عنوان مثال ، اگر دو مخزن پر از آب باشد اما قطر متفاوتی داشته باشد ، فشار هیدرواستاتیک به دلیل وزن آب در انتهای هر دو مخزن یکسان است (شکل 3-6). فشار مطلق در پایین ستون مایع ، مقدار فشار جو و فشار هیدرواستاتیک به دلیل وزن مایع است. عبارت ریاضی مورد استفاده برای محاسبه فشار در پایین کشتی است

قانون پاسکال

بلیز پاسکال (1623-1662) ریاضیدان ، فیزیکدان و فیلسوف فرانسوی ، از این واقعیت استنباط می کند که یک ستون سیال فشاری را تحمل می کند که فقط با ارتفاع ستون سیال متفاوت است ، فشار خارجی اعمال شده بر روی یک مایع محصور ، به هر قسمت از مایعات کمرنگ می شود.

شکل 3-7 قانون پاسکال را نشان می دهد ، که به عنوان اصل پاسکال نیز شناخته می شود. کاربرد این اصل بالابر هیدرولیکی است (شکل 3-8). با استفاده از دو پیستون از مناطق مختلف (A1 و A2) ، نیرو در پیست اول (F1) با نسبت مساحت دو پیستون ضرب می شود تا یک نیروی خروجی بزرگتر (F2) تولید شود. بنابراین ، نیروی خروجی F2 محاسبه و معادله در شکل بالا نشان داده شده است.

اندازه گیری فشار

واحدهای اندازه گیری فشار

تجهیزات مجهز به سیستم آموزش ابزار دقیق و کنترل فرآیند ، فشارهایی را در واحدهای SI و واحدهای عادی ایالات متحده ارائه می دهد. واحد فشار SI پاسکال (Pa) است. یک پاسکال (1 Pa) یک نیوتن (1 N) نیرو است که به مساحت یک متر مربع (1 متر مربع) اعمال می شود. بنابراین ، 1 Pa برابر است با 1 N / m2. از آنجا که بیشتر اندازه گیری ها به ترتیب بزرگی 1 × 103 Pa هستند ، بیشتر سازها به جای پاسکال ، خوانش هایی را با واحد کیلوپاسکال (kPa) انجام می دهند ، جایی که یک کیلوپاسکال (1 کیلو پاسکال) برابر با 1000 Pa است. در واحدهای عادی آمریکا فشار دارد. واحد پوند نیروی در هر اینچ مربع (PSI). یک پوند نیروی در هر اینچ مربع (1 PSI) یک پوند نیرو (1 پوند) است که به مساحت یک اینچ مربع (1 اینچ در 2) اعمال می شود. برخی از سازها همچنین با استفاده از واحدهای دیگر مانند نوار (نوار) ​​قرائت می کنند. یک نوار (1 بار) برابر با 100 kPa یا 14.5 psi است.

فشار سر

همانطور که قبلاً نیز گفته شد ، فشار هیدرواستاتیک در یک نقطه از یک کشتی به ارتفاع مایع بالای این نقطه بستگی دارد. برای دو نقطه در یک کشتی ، اختلاف فشار ، ∆ ، با فاصله ، ساعت ، بین این دو نقطه متناسب است (شکل 3-9). بنابراین ، اختلاف فشار است

ارتفاع یک ستون مایع برای ایجاد فشار معین باید سر یا سر فشار باشد. برای فشار معین ، ارتفاع معادل آب با ارتفاع معادل جیوه نیست. دلیل این است که فشار فشار با چگالی مایع متفاوت است. بنابراین ، باید نوع مایع مورد استفاده را به عنوان مرجع و همچنین درجه حرارت هنگام بیان فشار به عنوان ارتفاع یک ستون مایع مشخص کنید. برای فشار زیاد ، ارتفاع معادل یک ستون مایع بسیار زیاد است ، خیلی زیاد است تا برای مقایسه مفید باشد. به عنوان مثال ، 1000 kPa (145 psi) معادل 102 متر آب (4015 اینچ آب) است. به همین دلیل ، سر فشار در درجه اول برای اندازه گیری فشار کم استفاده می شود. سر فشار واحدهای متر (متر) یا سانتی متر (سانتی متر) آب یا جیوه دارد. در واحدهای مرسوم ایالات متحده ، پا (فوت) یا اینچ (داخل) آب یا جیوه واحد مشترکی برای فشار فشار هستند. فشار 1 kPa به یک سر 0.102 متر آب در 4 درجه سانتیگراد مربوط است. در نتیجه ، یک ستون 0.102 متر آب در 4 درجه سانتیگراد فشار 1 کیلو پاسکال را در پایین آن ایجاد می کند. به طور مشابه ، فشار 1 psi با سر 27.7 در آب در 39 درجه فارنهایت مطابقت دارد. در نتیجه ، یک ستون 27.7 در ستون آب در 39 درجه فارنهایت ، فشار 1 psi را در انتهای آن ایجاد می کند.

انواع اندازه گیری فشار

فشار همیشه نسبت به فشار مرجع اندازه گیری می شود. فشار مرجع می تواند یا خلا یا فشار جو باشد. همچنین می توانید فشار را نسبت به فشار دیگر اندازه گیری کنید.

فشار مطلق

کلمه vacuum از کلمه لاتین vacuus گرفته شده و به معنی خالی است. خلاء فضایی کاملاً عاری از ماده است و از آنجا که برای ایجاد فشار باید ماده ای وجود داشته باشد ، هیچ فشار در خلاء وجود ندارد. بنابراین ، فشار خلاء دقیقاً 0 kPa (0 psi) است. فشار اندازه گیری شده با توجه به فشار خلاء ، فشار مطلق است. فشار مطلق همیشه مثبت است زیرا فشار مرجع آن 0 kPa (0 psi) است. واحد SI فشار مطلق پاسکال است ، اما وقتی به یک فشار مطلق مراجعه می کنید ، باید مشخص کنید که این فشار مطلق است (بطور مثال: گاز موجود در مخزن با فشار مطلق 300 کیلو پاسکال است). در واحدهای عادی آمریکا ، فشار مطلق واحدهای پوند در هر اینچ مربع را دارد ، مطلق ، که مخفف آن psia است (بطور مثال: گاز موجود در مخزن با فشار 43.5 psia است).

فشار سنج

بیشتر ابزارها به جای استفاده از خلاء به عنوان مرجع برای اندازه گیری فشار ، از فشار اتمسفر محلی به عنوان مرجع استفاده می کنند. در سطح دریا متوسط ​​فشار به دلیل وزن هوا 101325 Pa یا 101.3 kPa (14.7 psia) است. بصورت محلی فشار جو به ارتفاع محل و شرایط جوی واقعی بستگی دارد. تفاوت بین فشار اندازه گیری شده و فشار اتمسفر محلی فشار سنج است. قرائت فشار سنج مربوط به خواندن فشار مطلق منهای فشار اتمسفری محلی است. فشار سنج صفر است اگر فشار اندازه گیری شده با فشار اتمسفر محلی باشد. اگر فشار اندازه گیری شده زیر فشار اتمسفر موضعی باشد و در صورت مثبت باشد ، منفی است. واحد SI فشار سنج پاسکال است. با این حال ، همانطور که در مورد فشار مطلق ، باید مشخص کنید که به فشار سنج اشاره می کنید (بطور مثال: گاز موجود در مخزن با فشار 200 kPa است). در واحدهای معمولی ایالات متحده ، فشار سنج دارای واحدهای پوند در هر اینچ مربع ، سنج است که به اختصار psig است (بطور مثال: گاز موجود در مخزن با فشار 29 psig است). شکل 3-10 تفاوت بین فشار مطلق و فشار سنج را نشان می دهد.

فشار دیفرانسیل

برخی از دستگاه های اندازه گیری فشار ، فشار را در دو نقطه اندازه گیری می کنند و نتیجه اختلاف را در فشار ایجاد می کنند. اختلاف فشار بین دو نقطه اغلب به عنوان فشار دیفرانسیل گفته می شود. سنج فشار نمونه ای از دستگاه اندازه گیری فشار دیفرانسیل است زیرا تفاوت بین فشار اندازه گیری شده و فشار اتمسفر را اندازه گیری می کند. واحد SI برای فشار دیفرانسیل ، پاسکال است. برای شفافیت بیشتر می توانید مشخص کنید که این یک فشار دیفرانسیل است (به عنوان مثال: فشار دیفرانسیل بین بالا و پایین مخزن 200 kPa است). در واحدهای عادی ایالات متحده ، فشار دیفرانسیل دارای واحدهای پوند در هر اینچ مربع ، دیفرانسیل است که اختصار psid است (بطور مثال: فشار دیفرانسیل بین بالا و پایین مخازن 29 psid است).

تعاریف مختصر:

فشار جو

فشار اتمسفر نیرویی است که توسط جو زمین اعمال می شود. فشار اتمسفر در سطح دریا معادل 14.695 psia است. مقدار فشار اتمسفر با افزایش ارتفاع کاهش می یابد.

فشار هوا

فشارسنج همان فشار جو است.

فشار هیدرواستاتیک

هیدرواستاتیک ، فشار در برنامه های سطح مایعات مشاهده می شود. فشار هیدرواستاتیک فشار زیر سطح مایع است که توسط مایع فوق انجام می شود.

فشار خط

فشار خط به سادگی مقدار فشار یا نیرو در واحد سطح است که توسط یک جریان به موازات دیواره لوله بر روی سطح اعمال می شود.

فشار استاتیک

فشار استاتیک همان فشار خط است.

فشار کاری

فشار کار به فشار خط یا استاتیک نیز گفته می شود.

فشار مطلق

فشار مطلق یک اندازه گیری فشار واحد با اشاره به خلاء کامل یا کامل است. فشار مطلق اندازه گیری فشار فرآیند بیش از خلاء کامل یا psia 0 است. فشار مطلق صفر (0 psia) نشان دهنده عدم فشار کامل است – برای مثال ، فضای خلاء کامل محسوب می شود.

فشار سنج

فشار سنج اندازه گیری فشار منفرد است که فشار بالای جو را نشان می دهد. فشار سنج نشان دهنده تفاوت مثبت بین فشار اندازه گیری شده و فشار جوی موجود است. شما می توانید با افزودن مقدار فشار اتمسفر واقعی به خواندن فشار سنج ، فشار سنج را به فشار مطلق تبدیل کنید. به عنوان مثال 10 psig معادل 24-7 psia 0 psig معادل 14.7 psia است.

خلاء

فشار خلاء اندازه گیری فشار منفرد است ، که همچنین اشاره ای به فشار اتمسفر دارد. فشار خلاء اندازه گیری میزان افسردگی فشار فرآیند در زیر فشار اتمسفر است. فشار خلاء به طور کلی در سانتی متر یا اینچ از H20 اندازه گیری می شود. به عنوان مثال ، 14.7 psia معادل 407.5 اینچ H20 است. بنابراین ، فشار 10 اینچ خلاء H20 حاکی از آن است که فشار فرایند 10 اینچ زیر جو فشار می یابد. یا 10 اینچ خلاء H20 معادل 397.5 اینچ H20 مطلق است. فشار خلاء معمولاً با استفاده از فرستنده فشار سنج با کالیبراسیون صفر بالا اندازه گیری می شود.

دستگاه های اندازه گیری فشار کلاسیک

بیشتر دستگاههای اندازه گیری فشار متعلق به مانومترها یا دسته حسگرهای فشار الاستیک هستند. مانومترها از یک ستون مایع برای اندازه گیری فشار استفاده می کنند. مکانیزم مانومتر فشار اندازه گیری شده را بر روی ستون مایع اعمال می کند و تغییر در سطح مایع اندازه گیری می شود. استفاده از ستونی از مایع ، استفاده از مانومترها را به فشار نزدیک اتمسفر کوچک محدود می کند. لوله های پیزومتر ، مانومتر های لوله U و فشار سنج لوله شیب نمونه هایی از مانومتر های ساده هستند. سنسورهای فشار الاستیک برای اندازه گیری فشار از یک عنصر الاستیک استفاده می کنند. فشار اندازه گیری شده بر روی یک عنصر الاستیک فشار می آورد و تغییر شکل حاصل باعث تولید سیگنال متناسب با فشار می شود. بیشتر اوقات ، عناصر سنجش اولیه در شاخص های محلی یا در فرستنده های الکترونیکی سنسورهای فشار الاستیک هستند. لوله های بوردون ، سنج های کرنش ، دیافراگم ها و سنج های فشار سنج حسگرهای فشار الاستیک هستند. در بخشهای زیر اصول کار مانومترهای مایع و فشارهای فشار لوله بوردون ارائه شده است. این دستگاه ها دستگاه های اندازه گیری فشار کلاسیک هستند و درک نحوه کار آنها به درک شما در مورد فیزیک دستگاههای اندازه گیری فشار کمک می کند. بخش بحث از سابق. 3-1 سنجهای کرنش را که نوعی سنسور فشار الاستیک است به طور کامل توصیف می کند.

فشار سنج لوله U

فشار سنج لوله U یکی از قدیمی ترین و ساده ترین دستگاه های اندازه گیری فشار است. عنصر اصلی مانومترهای لوله U ، یک شیشه U یا لوله پلاستیکی است که حاوی مایعی مانند آب یا جیوه است. مایع به گونه ای انتخاب شده است که هنگام تماس با مایع فرآیند واکنش نشان ندهد (شکل 3-11). یک انتهای لوله به اتمسفر باز است و مایع فرآیند در انتهای دیگر لوله فشار وارد می کند. این فشار مایع منومتری را تحت فشار قرار می دهد و باعث می شود که لوله به طور متناسب افزایش یابد. ارتفاع یا سر ، که مایع مانومتر از نقطه تماس با سیال فرآیند بالا می رود ، متناسب با فشار سیال فرآیند است. با استفاده از معادله (3-8) می توانید ارتفاع مایع را به فشار سنج تبدیل کنید.

تولید کنندگان فشار سنج لوله U باید مایع مانومتر را با دقت انتخاب کنند تا دقت اندازه گیری مطلوب را فراهم کند. استفاده از مانومترهای آب محدود به اندازه گیری فشار نزدیک به فشار اتمسفر است زیرا تغییر کم فشار باعث جابجایی نسبتاً زیادی از آب می شود. به عنوان مثال ، برای اندازه گیری فشار سنج 7 kPa (1 psig) با فشار سنج آب ، ستون مانومتر باید بیش از 71 سانتی متر (28 اینچ) ارتفاع داشته باشد. تولید کننده می تواند با استفاده از جیوه به جای آب ، میزان اندازه گیری یک مانومتر را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. چگالی جیوه 13.6 برابر چگالی آب است. بنابراین ، برای یک فشار معین ، جابجایی جیوه 13.6 برابر کمتر از جابجایی آب است. اندازه گیری فشار مایع به اندازه کافی دقیق است تا به عنوان استاندارد برای بررسی کالیبراسیون سایر دستگاه های اندازه گیری فشار عمل کند. با این حال ، مانومتر های مایع شکننده و حجیم هستند ، که استفاده از آنها را به آزمایشگاه ها یا به عنوان شاخص های محلی محدود می کند.

فشار لوله بوردون

دستگاه فشار سنج بوردون لوله مستقیم خواندن فشار را فراهم می آورد. آنها برای حس فشار از یک عنصر سنجش اولیه به نام لوله بوردون استفاده می کنند. شکل 3-12 یک فشار سنج لوله بوردون معمولی را نشان می دهد. سنج فشار شامل یک نشانگر سوزنی است که از طریق اتصال دنده به یک لوله بوردون متصل شده است ، که یک لوله کویل انعطاف پذیر به شکل C است. لوله بوردون توخالی است و مستقیماً به خط سیال فرآیند متصل می شود. با افزایش فشار ، لوله بوردون صاف می شود که پیوند دنده را به حرکت در می آورد و باعث می شود تا اشاره گر سوزن روی شماره گیری شود. لوله بوردون از موادی ساخته شده است که دارای خاصیت الاستیک است به طوری که تحت فشار تغییر شکل می یابد و هنگامی که دیگر تحت فشار قرار نگیرد به شکل اصلی خود باز می گردد.