5.1: الضغط وقياس الضغط

يحدث ضغط الغاز نتيجة القوة التي تحدثها جزيئات الغاز التي تصطدم بأسطح الأجسام. وعلى الرغم من أن قوة كل تصادم صغيرة للغاية، إلا أن أي سطح لمنطقة ملحوظة يتعرض لعدد كبير من التصادمات في وقت قصير، مما قد يؤدي إلى ارتفاع الضغط.

بشكل عام، يتم تعريف الضغط على أنه القوة المبذولة على منطقة معينة:  

يتناسب الضغط بشكل مباشر مع القوة ويتناسب عكسياً مع المساحة. وبالتالي، يمكن زيادة الضغط إما بزيادة مقدار القوة أو بتقليل المساحة التي يتم تطبيق القوة عليها؛ ويمكن تقليل الضغط عن طريق خفض القوة أو زيادة المساحة.

وحدة الضغط في النظام الدولي للوحدات هي باسكال (با)، حيث 1با=1 N/m²، حيث N هي نيوتن، وهي وحدة قوة معرفة بأنها 1 كغ·م/s2. إن باسكال واحدة هي ضغط صغير؛ وفي العديد من الحالات، يكون من الأفضل استخدام وحدات كيلو باسكال (1 كيلو باسكال = 1000 باسكال) أو بار (1 بار = 100000 باسكال). يمكن أيضًا قياس الضغط باستخدام الغلاف الجوي للوحدة (ATM).  

قياس الضغط

إن الضغط الجوي، القوة التي يبذلها الغلاف الجوي على سطح الأرض’s، يقاس بمقياس ضغط باروميتر. البارومتر هو أنبوب زجاجي مغلق من طرف واحد، ومملوء بسائل غير متطاير، مثل الزئبق، ثم مقلوب ومغمور في حاوية من ذلك السائل. يمارس الغلاف الجوي الضغط على السائل خارج الأنبوب، ويضغط عمود السائل داخل الأنبوب، والضغط على سطح السائل هو نفسه داخل الأنبوب وخارجه. ولذلك فإن ارتفاع السائل في الأنبوب يتناسب مع الضغط الذي يمارسه الغلاف الجوي.

في البارومتر، يكون الزئبق هو الخيار المفضل على الماء، لأنه أكثر كثافة من الماء بمقدار 13,5 مرة. يمكن أن يدعم الضغط الجوي عموداً من الزئبق طوله 0.760 متر فقط، بينما يجب أن يكون طول عمود الماء 10.3 متر. وهذا يجعل عمود الزئبق طريقة مناسبة لقياس الضغط.

يتوافق الضغط الجوي القياسي لـ 1 atm على مستوى سطح البحر (101,325 باسكال) مع عمود من الزئبق يبلغ طوله حوالي 760 مم (29,92 بوصة). يُعرف الضغط الذي يمارسه السائل نتيجة للجاذبية بالضغط الهيدروستاتيكي، p:

حيث h هو ارتفاع السائل ، والإنثاو هي كثافة السائل ، و g هو التسارع بسبب الجاذبية.

مقياس الضغط هو جهاز يستخدم لقياس ضغط الغاز المحبوس في الحاوية. مقياس الضغط مغلق الطرف هو أنبوب على شكل حرف U مع ذراع مغلقة واحدة، وذراع واحدة تتصل بالغاز المطلوب قياسه، وزئبق بين. تتناسب المسافة بين مستويات السائل في ذراعي الأنبوب، h، مع ضغط الغاز في الحاوية. في مقياس جهد الطرف المفتوح، أحد أذرع الأنبوب مفتوح على الغلاف الجوي. في هذه الحالة، تتوافق المسافة بين مستويات السائل مع الفرق في الضغط بين الغاز في الحاوية والغلاف الجوي.  

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 9.1: Gas Pressure.

لنتذكر أن الغاز يتخذ دائمًا،شكل وحجم الوعاء الذي يحتوي عليه. مجهريًا،يتكون الغاز من جزيئات متحركة،التي تتصادم مع بعضها البعض و مع جدران الحاوية الخاصة بهم. كل تصادم مع الجدار يمارس قوة صغيرة في منطقة الاتصال.

القوى الناتجة عن عدد كبير من مثل هذه الاصطدامات تضاف إلى ضغطها. قلة جزيئات الغاز تؤدي إلى تصادمات أقل،قوة أقل لكل وحدة مساحة،وبالتالي ضغط أقل. ولذلك،فإن الضغط يتناسب طرديًا مع عدد الجسيمات في حجم معين،أو كثافة الغاز.

الهواء هو خليط من ذرات غازية مختلفة،والجزيئات تمارس ضغطًا على كل شيء على سطح الارض. هذا هو الضغط الجوي،وهو يقاس باستخدام بارومتر. المقياس التقليدي هو أنبوب زجاجي مملوء بالزئبق،المقلوب في طبق يحتوي على الزئبق.

استجابة للضغط الذي يمارسه الغلاف الجوي،يحدث ارتفاع أو انخفاض لعمود الزئبق. يوفر قياس الارتفاع مقياسًا للضغط الجوي. الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر هو 1 atm،مما يرفع عمود الزئبق حتى ارتفاع 760 ملم زئبق.

على ارتفاعات أعلى،حيث يكون الهواء أقل كثافة،ينخفض ارتفاع عمود الزئبق،مما يشير إلى انخفاض الضغط الجوي. ضغط الغاز المحبوس في إناء يقاس باستخدام مقياس الضغط. يتكون مقياس الضغط المغلق من أنبوب U مملوء بالزئبق،يتم إغلاق أحد الطرفين في فراغ،والنهاية الأخرى متصلة بالإناء المملوء بعينة الغاز.

جزيئات الغاز تدفع الزئبق للأسفل في أحد طرفي الأنبوب،مما يخلق فرقًا في الارتفاع،يتوافق مع الضغط الذي يمارسه الغاز. في مقياس الضغط المفتوح،طرف واحد يترك مفتوحًا على الغلاف الجوي. هذا يقيس ضغط عينةالغاز بالنسبة للضغط الجوي.

عندما يمارس الغاز ضغطًا أعلى من الضغط الجوي،فرق الارتفاع يضاف إلى الضغط الجوي. وهذا ينتج ضغط الغاز. على العكس من ذلك،عندما يمارس الغلاف الجوي ضغطًا أكبر من عينة الغاز،فإنّفرق الارتفاع يُطرح من الضغط الجوي،للحصول على ضغط الغاز.